合成氨条件的选择实用教案

1、一、合成氨工业一、合成氨工业(gngy)(gngy)简介简介 1909 1909年德国化学家哈伯成功建立了第一套合年德国化学家哈伯成功建立了第一套合成氨的实验装置，产量成氨的实验装置，产量80g/80g/小时。在此基础上小时。在此基础上19131913年德国化学工程专家波施建立了第一个工业年德国化学工程专家波施建立了第一个工业规模的合成氨工厂，产量为规模的合成氨工厂，产量为70007000吨吨/ /年，所以合年，所以合成氨的方法又叫做成氨的方法又叫做(jiozu)(jiozu)哈伯哈伯- -波施法。波施法。 目前，全球氨产量约为目前，全球氨产量约为650650万吨万吨/ /年。近年来，年。近年

2、来，合成氨装置大型化是世界合成氨发展的主流趋势。合成氨装置大型化是世界合成氨发展的主流趋势。现 世 界 最 大 单 系 列 合 成 氨 装 置 为 阿 根 廷现 世 界 最 大 单 系 列 合 成 氨 装 置 为 阿 根 廷ProfertilProfertil公司的公司的20502050吨吨/ /天装置；而天装置；而30003000吨吨/ /天天( (约约100100万吨万吨/ /年年) )的单系列合成氨装置将于的单系列合成氨装置将于20052005年年投产，投产，40004000吨吨/ /天规模的装置也已完成初步设计。天规模的装置也已完成初步设计。第1页/共25页第一页，共26页。 目前我国

3、合成氨年产量已居世界第目前我国合成氨年产量已居世界第1 1位，位，但是，单系列装置规模较小，已经但是，单系列装置规模较小，已经(y jing)(y jing)无法适应世界合成氨的发展趋势。无法适应世界合成氨的发展趋势。 据有关资料统计，我国合成氨平均规模据有关资料统计，我国合成氨平均规模为为5 5万吨万吨/ /年。而俄罗斯的平均规模为年。而俄罗斯的平均规模为4040万吨万吨/ /年；美国为年；美国为3030万吨万吨/ /年以上。年以上。第2页/共25页第二页，共26页。 假如你自己就是假如你自己就是(jish)(jish)一个合成氨一个合成氨工厂的厂长，你最关心的是什么？对整个工厂的厂长，你最

4、关心的是什么？对整个生产过程会有怎样的要求？生产过程会有怎样的要求？提高单位工作提高单位工作(gngzu)时间内产时间内产品的产量品的产量产品生产周期短产品生产周期短 （生产的快生产的快）产品的产率高产品的产率高 （生产的多生产的多）好的经济好的经济效益效益(jn (jn j xio j xio y)y)第3页/共25页第三页，共26页。【问题】 1 1、合成氨反应的化学方程式、合成氨反应的化学方程式为：为：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3( (正反应为放热正反应为放热反应反应) )，分析该反应的特点。，分析该反应的特点。 一个正反应为放热、气体总体积一个正反应为放热、气体总

5、体积(tj)(tj)缩小的可逆反应。缩小的可逆反应。 2 2、针对反应特点，分别从化学反、针对反应特点，分别从化学反应应(huxu fnyng)(huxu fnyng)速率和化学平衡速率和化学平衡两个方面思考，讨论并完成下表。两个方面思考，讨论并完成下表。 第4页/共25页第四页，共26页。使氨生成的快使氨生成的快（反应速率）（反应速率） 使氨生成的多使氨生成的多（化学平衡）（化学平衡） 浓度浓度压强压强温度温度催化剂催化剂高压高压(goy)高温高温(gown)使用使用(shyng)无影响无影响高压高压低温低温增大浓度增大浓度增大反应物浓度；增大反应物浓度；减小生成物浓度减小生成物浓度是一个正

6、反应为放热、气体总体积缩小的可逆反应。 合成氨反应 N2+3H2 2NH3 第5页/共25页第五页，共26页。(1)(1)既然增大压强能提高既然增大压强能提高(t go)(t go)反应速率和反应速率和氨的产量，那是否工业上采用的压强越大越好？氨的产量，那是否工业上采用的压强越大越好？ (3)(3)催化剂对化学平衡并没有影响，那为何催化剂对化学平衡并没有影响，那为何工业工业(gngy)(gngy)上还要使用催化剂？上还要使用催化剂？(2)(2)降低温度降低温度(wnd)(wnd)有利于生成氨，那是否有利于生成氨，那是否温度温度(wnd)(wnd)越低越好？越低越好？【讨论题】 使用催化剂时使用

7、催化剂时, ,应考虑哪些因素应考虑哪些因素? ?第6页/共25页第六页，共26页。二、工业(gngy)(gngy)合成氨的适宜条件1.1.压强(yqin(yqing)g)：3.3.催化剂：2.2.温度(wnd)(wnd)：4 4. .浓度： 2020MPaMPa50MPa(50MPa(受动力、材料、设备等实际条件的影响) )500500左右( (温度过低, ,速率慢, ,不经济; ;还应考虑催化剂的活性对温度的要求) )N N2 2、H H2 2的再循环并及时补充N N2 2和H H2 2 增大反应物的浓度 及时将氨冷却并从平衡气体中分离降低生成物的浓度铁触媒( (加快反应速率, ,大大缩短到

8、达平衡的时间) )第7页/共25页第七页，共26页。合成氨生产(shngchn)(shngchn)示意图 【小结(xioji)(xioji)】合成氨的方程式合成氨的方程式( (补充补充(bchng)(bchng)条件条件) )：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3 Fe Fe、50050020MPa20MPa50MPa50MPa合成氨工厂N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3高温、高压 催化剂 第8页/共25页第八页，共26页。3.3.既要注意-上的要求(yoqi)(yoqi)，又要注意-操作中的可能性。三、选择适宜化工(hugng)(hugng)生产条件的原则：1.

9、1.既要考虑外界(wiji)(wiji)条件对 -和-影响的-，又要考虑外界(wiji)(wiji)条件对两者影响的-。2.2.既要注意-、-对化学反应速率影响的一致性，又要注意温度对-的影响。化学反应速率化学平衡矛盾性一致性温度催化剂催化剂活性理论实际第9页/共25页第九页，共26页。 催化剂的催化能力一般称为催化活性。有催化剂的催化能力一般称为催化活性。有人认为：由于催化剂在反应前后的化学性质和人认为：由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变，一但制成催化剂之后，便可以永远质量不变，一但制成催化剂之后，便可以永远地使用下去。实际上许多催化剂在使用过程中，地使用下去。实际上许多催化剂在使用过

10、程中，其活性从小到大，逐渐达到正常水平其活性从小到大，逐渐达到正常水平(shupng)(shupng)，这就是催化剂的成熟期。接着催，这就是催化剂的成熟期。接着催化剂在一段时间里保持稳定，然后再逐渐下降，化剂在一段时间里保持稳定，然后再逐渐下降，直至不能再使用。催化剂催化活性保持稳定的直至不能再使用。催化剂催化活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。备方法和使用条件而异。 催化剂中毒(zhng d) (zhng d) 第10页/共25页第十页，共26页。 催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的催化剂在稳定活性期间，往往

11、因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂中毒。一般认为是由于催化剂表面的活为催化剂中毒。一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种。例如，对于合成氨反应中毒和永久性中毒两种。例如，对于合成氨反应中的铁触媒催化剂，氧气、二氧化碳中的铁触媒催化剂，氧气、二氧化碳(r yng (r yng hu tn)hu tn)、一氧化碳和水蒸气都能使催化剂中毒，、一氧化碳和水蒸气都能使催化剂中毒，但利用纯净的氢氮混合气体通过中毒的催化剂时，但利用纯净的氢氮混合

12、气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性的中毒。相反，含磷、硫、砷的化合物则可使催的中毒。相反，含磷、硫、砷的化合物则可使催化剂永久失去催化活性。催化剂永久性中毒后，化剂永久失去催化活性。催化剂永久性中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氮、氢往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氮、氢混合气体处理，活性也很难恢复。混合气体处理，活性也很难恢复。 第11页/共25页第十一页，共26页。 催化剂中毒会严重影响生产的正常进催化剂中毒会严重影响生产的正常进行，工业生产中为了防止催化剂中毒，要行，工业生产中为了防止催化剂中毒，要把

13、反应物原料加以净化，以除去有毒物质，把反应物原料加以净化，以除去有毒物质，这样就要增加设备，提高成本。因此，研这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型制具有较强抗毒能力的新型(xnxng)(xnxng)催化催化剂，是一个重要的课题。剂，是一个重要的课题。 第12页/共25页第十二页，共26页。第13页/共25页第十三页，共26页。二、硫酸二、硫酸(li sun)的工业的工业制法制法第14页/共25页第十四页，共26页。思考：怎样思考：怎样(znyng)制取硫酸？制取硫酸？H2SO4SO3SO2SFeS2H2OO2O2O2 二氧化硫气体(qt)的制备SO2 SO2 点燃4Fe

14、S211O2 2Fe2O38SO2 高温二氧化硫(r yng hu li)的催化氧化催化剂三氧化硫的吸收 SO3 H2O H2SO41、接触法制硫酸接触法制硫酸的主要反应过程的主要反应过程一、硫酸的工业制法一、硫酸的工业制法-接触法接触法2SO2O2 2SO3第15页/共25页第十五页，共26页。二氧化硫(r yng hu li)的制取和净化发生(fshng)的反应生产设备(shbi) 沸腾炉 2、硫酸生产过程简介4FeS211O2 = 2Fe2O38SO2 高温第16页/共25页第十六页，共26页。黄铁矿空气(kngq)矿渣(kun zh)SO2、O2、 N2第17页/共25页第十七页，共2

15、6页。 为什么要将黄铁矿粉碎(fn su)成细小矿粒？ 为什么要从炉底通入强大(qingd)空气流？讨讨论论第18页/共25页第十八页，共26页。 二氧化(ynghu)硫氧化(ynghu)成三氧化(ynghu)硫 生产(shngchn)设备：接触室 发生(fshng)的反应：2SO2O2 2SO3 + QV2O5 接触氧化的三个适宜条件：接触氧化的三个适宜条件： 压强用常压；压强用常压； 温度为温度为 400400500500； 催化剂主要为催化剂主要为V V2 2O O5 5。 第19页/共25页第十九页，共26页。经净化(jnghu)的SO2、O2SO2、O2 SO3冷气体热气体温度较低的

16、气体温度较高的气体接触接触(jich)室室第20页/共25页第二十页，共26页。三氧化硫跟水化合生成(shn chn)硫酸 发生(fshng)的反应：SO3H2O H2SO4 用98.3%浓硫酸吸收(xshu)三氧化硫生产设备：吸收塔第21页/共25页第二十一页，共26页。98.3%H2SO4吸收塔吸收塔尾气(wi q)发烟H2SO4SO3O2、SO2、N2第22页/共25页第二十二页，共26页。三阶段三阶段SO2的制取和净化的制取和净化SO2氧化成氧化成SO3吸收吸收SO3生成硫酸生成硫酸原料原料三方程三方程 高温高温4FeS2 +11 O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 催化剂催化剂2S

17、O2+O2 2SO3 400-500 SO3 +H2OH2SO4三设备三设备沸腾炉沸腾炉接触室接触室吸收塔吸收塔工艺要求工艺要求黄铁矿黄铁矿( (硫磺硫磺(lihung)(lihung)、空气空气98.3% 98.3% 浓硫酸浓硫酸铁矿铁矿(ti kun)粉碎，粉碎，炉气净化炉气净化用两层催化剂用两层催化剂用热交换器用热交换器 用用98.3%98.3%的浓硫酸吸的浓硫酸吸收收(xshu)SO3 (xshu)SO3 -接 触 法 制 硫 酸 小 结 接触氧化的三个适宜条件：接触氧化的三个适宜条件： 压强用常压；压强用常压； 温度为温度为 400400500500；催化剂主要为；催化剂主要为V V

18、2 2OO5 5。 第23页/共25页第二十三页，共26页。 【例】含二氧化硅的黄铁矿样品【例】含二氧化硅的黄铁矿样品10g 10g 在空气中充分燃烧，最后剩余在空气中充分燃烧，最后剩余8g 8g 残渣（残渣中不含硫元素）。残渣（残渣中不含硫元素）。又知在接触法制硫酸的生产中，有又知在接触法制硫酸的生产中，有2%2%的硫受损失的硫受损失(snsh)(snsh)混入炉渣。用上述黄铁矿混入炉渣。用上述黄铁矿150 t ,150 t ,可制得可制得98%98%的浓硫酸多少吨？的浓硫酸多少吨？ 解：设解：设 10g 10g 黄铁矿中黄铁矿中 FeS2 FeS2 的质量的质量(zhling)(zhling)为为 x x 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO24120g2160gx10g 8g = 2 gx = 6 g 黄铁矿中FeS2% = 610100% = 60%固体(gt)减重480g-320g = 160g设设150 t 150 t 含含FeSFeS2 2 60 % 60 %的硫铁矿可制得的硫铁矿可制得98% 98% 的浓硫酸的质量为的浓硫酸的质量为 y yFeS22H2SO412019615060%98%98%yy = 147 t 答：可制得98%的浓硫酸147 吨