合成氨條件的選擇實(shí)用教案

1、一、合成氨工業(yè)一、合成氨工業(yè)(gngy)(gngy)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 1909 1909年德國(guó)化學(xué)家哈伯成功建立了第一套合年德國(guó)化學(xué)家哈伯成功建立了第一套合成氨的實(shí)驗(yàn)裝置，產(chǎn)量成氨的實(shí)驗(yàn)裝置，產(chǎn)量80g/80g/小時(shí)。在此基礎(chǔ)上小時(shí)。在此基礎(chǔ)上19131913年德國(guó)化學(xué)工程專(zhuān)家波施建立了第一個(gè)工業(yè)年德國(guó)化學(xué)工程專(zhuān)家波施建立了第一個(gè)工業(yè)規(guī)模的合成氨工廠，產(chǎn)量為規(guī)模的合成氨工廠，產(chǎn)量為70007000噸噸/ /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，全球氨產(chǎn)量約為目前，全球氨產(chǎn)量約為650650萬(wàn)噸萬(wàn)噸/ /年。近年來(lái)，年。近年

2、來(lái)，合成氨裝置大型化是世界合成氨發(fā)展的主流趨勢(shì)。合成氨裝置大型化是世界合成氨發(fā)展的主流趨勢(shì)?，F(xiàn) 世 界 最 大 單 系 列 合 成 氨 裝 置 為 阿 根 廷現(xiàn) 世 界 最 大 單 系 列 合 成 氨 裝 置 為 阿 根 廷ProfertilProfertil公司的公司的20502050噸噸/ /天裝置；而天裝置；而30003000噸噸/ /天天( (約約100100萬(wàn)噸萬(wàn)噸/ /年年) )的單系列合成氨裝置將于的單系列合成氨裝置將于20052005年年投產(chǎn)，投產(chǎn)，40004000噸噸/ /天規(guī)模的裝置也已完成初步設(shè)計(jì)。天規(guī)模的裝置也已完成初步設(shè)計(jì)。第1頁(yè)/共25頁(yè)第一頁(yè)，共26頁(yè)。 目前我國(guó)

3、合成氨年產(chǎn)量已居世界第目前我國(guó)合成氨年產(chǎn)量已居世界第1 1位，位，但是，單系列裝置規(guī)模較小，已經(jīng)但是，單系列裝置規(guī)模較小，已經(jīng)(y jing)(y jing)無(wú)法適應(yīng)世界合成氨的發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)法適應(yīng)世界合成氨的發(fā)展趨勢(shì)。 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)合成氨平均規(guī)模據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)合成氨平均規(guī)模為為5 5萬(wàn)噸萬(wàn)噸/ /年。而俄羅斯的平均規(guī)模為年。而俄羅斯的平均規(guī)模為4040萬(wàn)噸萬(wàn)噸/ /年；美國(guó)為年；美國(guó)為3030萬(wàn)噸萬(wàn)噸/ /年以上。年以上。第2頁(yè)/共25頁(yè)第二頁(yè)，共26頁(yè)。 假如你自己就是假如你自己就是(jish)(jish)一個(gè)合成氨一個(gè)合成氨工廠的廠長(zhǎng)，你最關(guān)心的是什么？對(duì)整個(gè)工廠的廠長(zhǎng)，你最

4、關(guān)心的是什么？對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程會(huì)有怎樣的要求？生產(chǎn)過(guò)程會(huì)有怎樣的要求？提高單位工作提高單位工作(gngzu)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品的產(chǎn)量品的產(chǎn)量產(chǎn)品生產(chǎn)周期短產(chǎn)品生產(chǎn)周期短 （生產(chǎn)的快生產(chǎn)的快）產(chǎn)品的產(chǎn)率高產(chǎn)品的產(chǎn)率高 （生產(chǎn)的多生產(chǎn)的多）好的經(jīng)濟(jì)好的經(jīng)濟(jì)效益效益(jn (jn j xio j xio y)y)第3頁(yè)/共25頁(yè)第三頁(yè)，共26頁(yè)?！締?wèn)題】 1 1、合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式、合成氨反應(yīng)的化學(xué)方程式為：為：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3( (正反應(yīng)為放熱正反應(yīng)為放熱反應(yīng)反應(yīng)) )，分析該反應(yīng)的特點(diǎn)。，分析該反應(yīng)的特點(diǎn)。 一個(gè)正反應(yīng)為放熱、氣體總體積一個(gè)正反應(yīng)為放熱、氣體總

5、體積(tj)(tj)縮小的可逆反應(yīng)。縮小的可逆反應(yīng)。 2 2、針對(duì)反應(yīng)特點(diǎn)，分別從化學(xué)反、針對(duì)反應(yīng)特點(diǎn)，分別從化學(xué)反應(yīng)應(yīng)(huxu fnyng)(huxu fnyng)速率和化學(xué)平衡速率和化學(xué)平衡兩個(gè)方面思考，討論并完成下表。兩個(gè)方面思考，討論并完成下表。 第4頁(yè)/共25頁(yè)第四頁(yè)，共26頁(yè)。使氨生成的快使氨生成的快（反應(yīng)速率）（反應(yīng)速率） 使氨生成的多使氨生成的多（化學(xué)平衡）（化學(xué)平衡） 濃度濃度壓強(qiáng)壓強(qiáng)溫度溫度催化劑催化劑高壓高壓(goy)高溫高溫(gown)使用使用(shyng)無(wú)影響無(wú)影響高壓高壓低溫低溫增大濃度增大濃度增大反應(yīng)物濃度；增大反應(yīng)物濃度；減小生成物濃度減小生成物濃度是一個(gè)正

6、反應(yīng)為放熱、氣體總體積縮小的可逆反應(yīng)。 合成氨反應(yīng) N2+3H2 2NH3 第5頁(yè)/共25頁(yè)第五頁(yè)，共26頁(yè)。(1)(1)既然增大壓強(qiáng)能提高既然增大壓強(qiáng)能提高(t go)(t go)反應(yīng)速率和反應(yīng)速率和氨的產(chǎn)量，那是否工業(yè)上采用的壓強(qiáng)越大越好？氨的產(chǎn)量，那是否工業(yè)上采用的壓強(qiáng)越大越好？ (3)(3)催化劑對(duì)化學(xué)平衡并沒(méi)有影響，那為何催化劑對(duì)化學(xué)平衡并沒(méi)有影響，那為何工業(yè)工業(yè)(gngy)(gngy)上還要使用催化劑？上還要使用催化劑？(2)(2)降低溫度降低溫度(wnd)(wnd)有利于生成氨，那是否有利于生成氨，那是否溫度溫度(wnd)(wnd)越低越好？越低越好？【討論題】 使用催化劑時(shí)使用

7、催化劑時(shí), ,應(yīng)考慮哪些因素應(yīng)考慮哪些因素? ?第6頁(yè)/共25頁(yè)第六頁(yè)，共26頁(yè)。二、工業(yè)(gngy)(gngy)合成氨的適宜條件1.1.壓強(qiáng)(yqin(yqing)g)：3.3.催化劑：2.2.溫度(wnd)(wnd)：4 4. .濃度： 2020MPaMPa50MPa(50MPa(受動(dòng)力、材料、設(shè)備等實(shí)際條件的影響) )500500左右( (溫度過(guò)低, ,速率慢, ,不經(jīng)濟(jì); ;還應(yīng)考慮催化劑的活性對(duì)溫度的要求) )N N2 2、H H2 2的再循環(huán)并及時(shí)補(bǔ)充N(xiāo) N2 2和H H2 2 增大反應(yīng)物的濃度 及時(shí)將氨冷卻并從平衡氣體中分離降低生成物的濃度鐵觸媒( (加快反應(yīng)速率, ,大大縮短到

8、達(dá)平衡的時(shí)間) )第7頁(yè)/共25頁(yè)第七頁(yè)，共26頁(yè)。合成氨生產(chǎn)(shngchn)(shngchn)示意圖 【小結(jié)(xioji)(xioji)】合成氨的方程式合成氨的方程式( (補(bǔ)充補(bǔ)充(bchng)(bchng)條件條件) )：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3 Fe Fe、50050020MPa20MPa50MPa50MPa合成氨工廠N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3高溫、高壓 催化劑 第8頁(yè)/共25頁(yè)第八頁(yè)，共26頁(yè)。3.3.既要注意-上的要求(yoqi)(yoqi)，又要注意-操作中的可能性。三、選擇適宜化工(hugng)(hugng)生產(chǎn)條件的原則：1.

9、1.既要考慮外界(wiji)(wiji)條件對(duì) -和-影響的-，又要考慮外界(wiji)(wiji)條件對(duì)兩者影響的-。2.2.既要注意-、-對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的一致性，又要注意溫度對(duì)-的影響?；瘜W(xué)反應(yīng)速率化學(xué)平衡矛盾性一致性溫度催化劑催化劑活性理論實(shí)際第9頁(yè)/共25頁(yè)第九頁(yè)，共26頁(yè)。 催化劑的催化能力一般稱(chēng)為催化活性。有催化劑的催化能力一般稱(chēng)為催化活性。有人認(rèn)為：由于催化劑在反應(yīng)前后的化學(xué)性質(zhì)和人認(rèn)為：由于催化劑在反應(yīng)前后的化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量不變，一但制成催化劑之后，便可以永遠(yuǎn)質(zhì)量不變，一但制成催化劑之后，便可以永遠(yuǎn)地使用下去。實(shí)際上許多催化劑在使用過(guò)程中，地使用下去。實(shí)際上許多催化劑在使用過(guò)

10、程中，其活性從小到大，逐漸達(dá)到正常水平其活性從小到大，逐漸達(dá)到正常水平(shupng)(shupng)，這就是催化劑的成熟期。接著催，這就是催化劑的成熟期。接著催化劑在一段時(shí)間里保持穩(wěn)定，然后再逐漸下降，化劑在一段時(shí)間里保持穩(wěn)定，然后再逐漸下降，直至不能再使用。催化劑催化活性保持穩(wěn)定的直至不能再使用。催化劑催化活性保持穩(wěn)定的時(shí)間即為催化劑的壽命，其長(zhǎng)短因催化劑的制時(shí)間即為催化劑的壽命，其長(zhǎng)短因催化劑的制備方法和使用條件而異。備方法和使用條件而異。 催化劑中毒(zhng d) (zhng d) 第10頁(yè)/共25頁(yè)第十頁(yè)，共26頁(yè)。 催化劑在穩(wěn)定活性期間，往往因接觸少量的催化劑在穩(wěn)定活性期間，往往

11、因接觸少量的雜質(zhì)而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)雜質(zhì)而使活性明顯下降甚至被破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為催化劑中毒。一般認(rèn)為是由于催化劑表面的活為催化劑中毒。一般認(rèn)為是由于催化劑表面的活性中心被雜質(zhì)占據(jù)而引起中毒。中毒分為暫時(shí)性性中心被雜質(zhì)占據(jù)而引起中毒。中毒分為暫時(shí)性中毒和永久性中毒兩種。例如，對(duì)于合成氨反應(yīng)中毒和永久性中毒兩種。例如，對(duì)于合成氨反應(yīng)中的鐵觸媒催化劑，氧氣、二氧化碳中的鐵觸媒催化劑，氧氣、二氧化碳(r yng (r yng hu tn)hu tn)、一氧化碳和水蒸氣都能使催化劑中毒，、一氧化碳和水蒸氣都能使催化劑中毒，但利用純凈的氫氮混合氣體通過(guò)中毒的催化劑時(shí)，但利用純凈的氫氮混合

12、氣體通過(guò)中毒的催化劑時(shí)，催化劑的活性又能恢復(fù)，因此這種中毒是暫時(shí)性催化劑的活性又能恢復(fù)，因此這種中毒是暫時(shí)性的中毒。相反，含磷、硫、砷的化合物則可使催的中毒。相反，含磷、硫、砷的化合物則可使催化劑永久失去催化活性。催化劑永久性中毒后，化劑永久失去催化活性。催化劑永久性中毒后，往往完全失去活性，這時(shí)即使再用純凈的氮、氫往往完全失去活性，這時(shí)即使再用純凈的氮、氫混合氣體處理，活性也很難恢復(fù)?；旌蠚怏w處理，活性也很難恢復(fù)。 第11頁(yè)/共25頁(yè)第十一頁(yè)，共26頁(yè)。 催化劑中毒會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)催化劑中毒會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，工業(yè)生產(chǎn)中為了防止催化劑中毒，要行，工業(yè)生產(chǎn)中為了防止催化劑中毒，要把

13、反應(yīng)物原料加以?xún)艋猿ビ卸疚镔|(zhì)，把反應(yīng)物原料加以?xún)艋?，以除去有毒物質(zhì)，這樣就要增加設(shè)備，提高成本。因此，研這樣就要增加設(shè)備，提高成本。因此，研制具有較強(qiáng)抗毒能力的新型制具有較強(qiáng)抗毒能力的新型(xnxng)(xnxng)催化催化劑，是一個(gè)重要的課題。劑，是一個(gè)重要的課題。 第12頁(yè)/共25頁(yè)第十二頁(yè)，共26頁(yè)。第13頁(yè)/共25頁(yè)第十三頁(yè)，共26頁(yè)。二、硫酸二、硫酸(li sun)的工業(yè)的工業(yè)制法制法第14頁(yè)/共25頁(yè)第十四頁(yè)，共26頁(yè)。思考：怎樣思考：怎樣(znyng)制取硫酸？制取硫酸？H2SO4SO3SO2SFeS2H2OO2O2O2 二氧化硫氣體(qt)的制備SO2 SO2 點(diǎn)燃4Fe

14、S211O2 2Fe2O38SO2 高溫二氧化硫(r yng hu li)的催化氧化催化劑三氧化硫的吸收 SO3 H2O H2SO41、接觸法制硫酸接觸法制硫酸的主要反應(yīng)過(guò)程的主要反應(yīng)過(guò)程一、硫酸的工業(yè)制法一、硫酸的工業(yè)制法-接觸法接觸法2SO2O2 2SO3第15頁(yè)/共25頁(yè)第十五頁(yè)，共26頁(yè)。二氧化硫(r yng hu li)的制取和凈化發(fā)生(fshng)的反應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備(shbi) 沸騰爐 2、硫酸生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)介4FeS211O2 = 2Fe2O38SO2 高溫第16頁(yè)/共25頁(yè)第十六頁(yè)，共26頁(yè)。黃鐵礦空氣(kngq)礦渣(kun zh)SO2、O2、 N2第17頁(yè)/共25頁(yè)第十七頁(yè)，共2

15、6頁(yè)。 為什么要將黃鐵礦粉碎(fn su)成細(xì)小礦粒？ 為什么要從爐底通入強(qiáng)大(qingd)空氣流？討討論論第18頁(yè)/共25頁(yè)第十八頁(yè)，共26頁(yè)。 二氧化(ynghu)硫氧化(ynghu)成三氧化(ynghu)硫 生產(chǎn)(shngchn)設(shè)備：接觸室 發(fā)生(fshng)的反應(yīng)：2SO2O2 2SO3 + QV2O5 接觸氧化的三個(gè)適宜條件：接觸氧化的三個(gè)適宜條件： 壓強(qiáng)用常壓；壓強(qiáng)用常壓； 溫度為溫度為 400400500500； 催化劑主要為催化劑主要為V V2 2O O5 5。 第19頁(yè)/共25頁(yè)第十九頁(yè)，共26頁(yè)。經(jīng)凈化(jnghu)的SO2、O2SO2、O2 SO3冷氣體熱氣體溫度較低的

16、氣體溫度較高的氣體接觸接觸(jich)室室第20頁(yè)/共25頁(yè)第二十頁(yè)，共26頁(yè)。三氧化硫跟水化合生成(shn chn)硫酸 發(fā)生(fshng)的反應(yīng)：SO3H2O H2SO4 用98.3%濃硫酸吸收(xshu)三氧化硫生產(chǎn)設(shè)備：吸收塔第21頁(yè)/共25頁(yè)第二十一頁(yè)，共26頁(yè)。98.3%H2SO4吸收塔吸收塔尾氣(wi q)發(fā)煙H2SO4SO3O2、SO2、N2第22頁(yè)/共25頁(yè)第二十二頁(yè)，共26頁(yè)。三階段三階段SO2的制取和凈化的制取和凈化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 高溫高溫4FeS2 +11 O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 催化劑催化劑2S

17、O2+O2 2SO3 400-500 SO3 +H2OH2SO4三設(shè)備三設(shè)備沸騰爐沸騰爐接觸室接觸室吸收塔吸收塔工藝要求工藝要求黃鐵礦黃鐵礦( (硫磺硫磺(lihung)(lihung)、空氣空氣98.3% 98.3% 濃硫酸濃硫酸鐵礦鐵礦(ti kun)粉碎，粉碎，爐氣凈化爐氣凈化用兩層催化劑用兩層催化劑用熱交換器用熱交換器 用用98.3%98.3%的濃硫酸吸的濃硫酸吸收收(xshu)SO3 (xshu)SO3 -接 觸 法 制 硫 酸 小 結(jié) 接觸氧化的三個(gè)適宜條件：接觸氧化的三個(gè)適宜條件： 壓強(qiáng)用常壓；壓強(qiáng)用常壓； 溫度為溫度為 400400500500；催化劑主要為；催化劑主要為V V

18、2 2OO5 5。 第23頁(yè)/共25頁(yè)第二十三頁(yè)，共26頁(yè)。 【例】含二氧化硅的黃鐵礦樣品【例】含二氧化硅的黃鐵礦樣品10g 10g 在空氣中充分燃燒，最后剩余在空氣中充分燃燒，最后剩余8g 8g 殘?jiān)堅(jiān)胁缓蛟兀?。殘?jiān)堅(jiān)胁缓蛟兀?。又知在接觸法制硫酸的生產(chǎn)中，有又知在接觸法制硫酸的生產(chǎn)中，有2%2%的硫受損失的硫受損失(snsh)(snsh)混入爐渣。用上述黃鐵礦混入爐渣。用上述黃鐵礦150 t ,150 t ,可制得可制得98%98%的濃硫酸多少?lài)?？的濃硫酸多少?lài)崳?解：設(shè)解：設(shè) 10g 10g 黃鐵礦中黃鐵礦中 FeS2 FeS2 的質(zhì)量的質(zhì)量(zhling)(zhling)為為 x x 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO24120g2160gx10g 8g = 2 gx = 6 g 黃鐵礦中FeS2% = 610100% = 60%固體(gt)減重480g-320g = 160g設(shè)設(shè)150 t 150 t 含含F(xiàn)eSFeS2 2 60 % 60 %的硫鐵礦可制得的硫鐵礦可制得98% 98% 的濃硫酸的質(zhì)量為的濃硫酸的質(zhì)量為 y yFeS22H2SO412019615060%98%98%yy = 147 t 答：可制得98%的濃硫酸147 噸