考點(diǎn)07工業(yè)合成氨

【核心考點(diǎn)梳理】

一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇

氨氣在農(nóng)業(yè)、化工行業(yè)密切相關(guān)，幾十年來，合成原料的質(zhì)量不斷優(yōu)化，余熱逐漸被利用，以及

裝置的現(xiàn)代化推動(dòng)了化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，也帶動(dòng)了燃料化工中新的能源和資源的開發(fā)。合成氨反應(yīng)是自發(fā)

反應(yīng)，理論上常溫下反應(yīng)進(jìn)行的限度大，轉(zhuǎn)化率高。但由于氮?dú)庠跓o催化劑時(shí)，反應(yīng)的活化能很高，反

應(yīng)速率緩慢，反應(yīng)幾乎不發(fā)生。

如何提高合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率和平衡混合物中氨的含量是當(dāng)時(shí)工業(yè)合成氨十分突出的問題。盡

管用氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)直接合成氨是一條理想的人工固氮途徑，但要在化工生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)這一想法卻經(jīng)歷了

一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，關(guān)鍵在于如何確立化工生產(chǎn)中適宜的生產(chǎn)條件。

根據(jù)有關(guān)化學(xué)平衡的知識(shí)，可以得出：在溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)有利于提高平衡混合物中氨的含

量；在壓強(qiáng)一定時(shí)，降低溫度有利于提高平衡混合物中氨的含量。根據(jù)有關(guān)化學(xué)反應(yīng)速率的知識(shí)，可以

得出：升高溫度、增大壓強(qiáng)及使用催化劑等都可以使合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率增大。

1、合成氨反應(yīng)條件的選擇

工業(yè)生產(chǎn)中，必須從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個(gè)角度來選擇合成氨的適宜條件,既要考慮盡量提高反

應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，充分利用原料，又要使反應(yīng)速率較快，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量，同時(shí)還要考慮設(shè)備和技

術(shù)條件。

下面我們綜合以上討論和合成氨工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，具體研究合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇問題。

科學(xué)家們通過大量的研究，找到了合適的催化劑，降低了反應(yīng)的活化能，使合成氨反應(yīng)擁有較快的反應(yīng)

速率。合成氨工業(yè)要求催化劑具有活性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、不易中毒、容易制備、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。根據(jù)

上述要求，目前公認(rèn)的最適當(dāng)?shù)拇呋瘎┦且澡F為主體的多成分催化劑。

（1）工業(yè)合成氨反應(yīng)的溫度與催化劑的選擇

如圖所示，溫度升高，雖然能增大合成氨的反應(yīng)速率，但會(huì)降低平衡混合物中氨的含量。溫度過

低，化學(xué)反應(yīng)速率較小，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡狀態(tài)。在

選擇某反應(yīng)的溫度時(shí)，還應(yīng)考慮催化劑的活性溫度，以便最大K

)oc

8

限度地發(fā)揮催化劑的作用。所以，為了工業(yè)合成氨有較快的反o

6

o

應(yīng)速率，必須在鐵催化劑活性較高的溫度下進(jìn)行，為此合成氨4

O

反應(yīng)一般選擇在500℃左右的溫度下進(jìn)行。催化反應(yīng)主要發(fā)2

生在催化劑的表面，因此，要提高催化效率、降低成本，增大O

20406080100

催化劑的比表面積十分重要。壓強(qiáng)/MPa

圖2.7反應(yīng)條件對(duì)合成氨

工業(yè)合成氨的壓強(qiáng)選擇

(2)含量的影響(氫氮

理論分析表明，合成氨時(shí)壓強(qiáng)越大越好；但壓強(qiáng)大，對(duì)材比為3)

料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求就越高，需要的動(dòng)力也越大，這將

會(huì)大大增加生產(chǎn)投資，并可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。目前，一般采用的壓強(qiáng)為20MPa~50MPao即使是在

500℃和30Mpa時(shí)，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%,即平衡時(shí)N2和H2的轉(zhuǎn)化率仍

不夠高。在實(shí)際生產(chǎn)中，采取迅速冷卻的方法，使氣態(tài)氨變成液氨后及時(shí)從平衡混合物中分離出去，以

促使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。

(3)工業(yè)合成氨的氣體比例選擇

止匕外，如果讓N2和H2的混合氣體只一次通過合成塔發(fā)生反應(yīng)也是很不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)將NH3分離后的

原料氣循環(huán)使用，并及時(shí)補(bǔ)充N2和H2

另一方面，從化學(xué)平衡角度講，氫氣和氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量之比為3:1時(shí)，平衡混合物中氨的百分含量最

大。但是，由于氮?dú)庠诖呋瘎┥系奈交罨强偡磻?yīng)中的控速步驟，適當(dāng)提高氮?dú)獾臐舛扔欣诤铣砂?/p>

反應(yīng)的進(jìn)行。所以實(shí)際生產(chǎn)中維持氫氮比為2.8?2.9o

(4)合成氨適宜條件匯總

生產(chǎn)條件合成氨的適宜條件主要選擇依據(jù)

催化劑鐵觸媒加快反應(yīng)，活性大、價(jià)格低廉等

溫度500。(：左右催化劑活性溫度

壓強(qiáng)20-50MPa兼顧設(shè)備、成本等

N?和H?的物質(zhì)的量比約為在其他條件不變的情況下，

1:2.8~2.9；增大反應(yīng)物的濃度，減小產(chǎn)

濃度

氨及時(shí)從混合氣中分離出去；物的濃度有利于平衡正向進(jìn)

循環(huán)使用N?和H?行

二、工業(yè)合成氨的生產(chǎn)流程

在工業(yè)合成氨中，如何滿足反應(yīng)條件、如何解決實(shí)際生產(chǎn)過程中原料、能源、設(shè)備等技術(shù)問題是合

成氨工業(yè)化生產(chǎn)必須考慮的。合成氨的工業(yè)生產(chǎn)主要包括造氣、凈化與合成三個(gè)步驟。

1.原料的來源

（1）N2來源于空氣

方法一：空氣液化法；方法二：用碳除氧法。

,壓縮冷凝,液態(tài)空氣型N（首先逸出）（物理變化）

空氣

吸收g

一＜步一CQ+M-膂（化學(xué)變化）

（2）氏來源于水和燃料

A、催化劑、

C+H20------------>CO+H2；C0+H2O(g)--------T------->C02+H2?

.熾熱焦炭、cc催化劑、吸收、

2LJCQ

H2+水蒸氣—)CO+H2H2O(g)>CO2+Hj-------------------->Hz

水煤氣

薪

CH4~>CO+H2>CO2+H2

除去雜質(zhì)后將N2、H2的混合氣體用壓縮機(jī)壓縮至高壓。

2.凈化在制取原料氣的過程中，?；煊幸恍╇s質(zhì)氣體，其中如H2S、CO等雜質(zhì)會(huì)使合成氨所用的催

化劑中毒，所以必須除去。

3.合成

冷

卻

分

氮?dú)浠旌蠚怏w塔

離

器

多級(jí)壓縮機(jī)

圖2.8合成氨工業(yè)生產(chǎn)流程圖

凈化后的原料氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮至高壓，加壓后的氏、N2需加

熱到催化劑的活性溫度后才能進(jìn)入氨合成塔中的催化區(qū)，在催化劑表

面反應(yīng)生成氨(o從合成塔出來的混合氣體中氨含量為10%?

20%,需要將產(chǎn)品氨與未反應(yīng)的周、叱分離，將未反應(yīng)的歷、

N2作為循環(huán)氣再返回合成塔。合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，可通過熱交換

器有效利用此反應(yīng)熱來預(yù)熱反應(yīng)前的H2、N2，降低合成氨的成本。

現(xiàn)在工業(yè)合成氨還在不斷發(fā)展之中，其中研制在更低溫度和壓強(qiáng)下具

有更高活性的催化劑、研究化學(xué)模擬生物固氮等課題是目前各國(guó)都比

較關(guān)注的領(lǐng)域。

【核心歸納】

理論和實(shí)際生產(chǎn)條件的對(duì)比

濃度壓強(qiáng)溫度催化劑

大

為增

氨

合成

應(yīng)

的反增加N2、H2的濃度增大升高加入

理

速率

論

為

高

提

生

混

平

衡

產(chǎn)

中

合

物減小平衡混合物中NH3

增大降低

的的濃度

NH含

H3量

實(shí)

使氣態(tài)NH變?yōu)橐簯B(tài)鐵觸媒

際3

NH從平衡混合物中?500℃(500℃

生3,20MPa50MPa

分離出去，并及時(shí)補(bǔ)充左右左右時(shí)活

產(chǎn)

性最大)

N2、H2O

綜合考慮:

(1)溫度：500℃左右。從化學(xué)速率分析：溫度越高越好；從化學(xué)平衡分析：溫度越低越好。綜合考慮以500℃

左右為宜，而且在此溫度下催化劑的活性最大。

(2)壓強(qiáng)：2X107?5X107Pa。無論從速率還是從平衡考慮，壓強(qiáng)越大越有利于合成氨。但壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)

備的制造和材料的強(qiáng)度要求越高，所以以2X107~5xi()7pa為宜。

(3)催化劑：加快反應(yīng)速率但不影響平衡，提高單位時(shí)間內(nèi)氨的產(chǎn)量，目前工業(yè)上以鐵觸媒為催化劑。

(4)濃度：從速率及平衡角度分析，應(yīng)增大氫氣和氮?dú)獾臐舛龋档桶钡臐舛取?/p>

工業(yè)生產(chǎn)要求多、快、好、省。綜合設(shè)備、動(dòng)力等各方面的原因，確定：

①壓強(qiáng)：20Mpa~50Mpa。

②濕度：500℃左右。

③催化劑：鐵觸媒。

【必備知識(shí)基礎(chǔ)練】

1.高溫下，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡，其平衡常數(shù)長(zhǎng)=；；：：；?：：：，恒容時(shí)，升高溫度H2的濃度減小，則下列

說法正確的是()

A.該反應(yīng)的化學(xué)方程式為CO(g)+H2O(g)^^CO2(g)+H2(g)

B.升高溫度K減小

C.升高溫度，逆反應(yīng)速率減小

D.該反應(yīng)的焰變?yōu)檎?/p>

2.工業(yè)合成氨的反應(yīng)原理為：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)AH<0,下列措施既能加快反應(yīng)速率又能提

高產(chǎn)率的是()

A.升高溫度B.增大壓強(qiáng)C.分離出NH3D.使用催化劑

3.化學(xué)中常用圖像直觀地描述化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程或結(jié)果。只改變一個(gè)條件，則下列對(duì)圖像的解讀正確的

是()

?f?a1)

4^(NHQ

3

2

—

0

時(shí)間

A.A2(g)+3B2(g)U2AB3(g),如圖①說明此反應(yīng)的正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)

B.4CO(g)+2NO2(g)UN2(g)+4CO2(g),如圖②說明NO2的轉(zhuǎn)化率b>a>c

C.N2(g)+3H2(g)^2NH3(g),如圖③說明t秒時(shí)合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡

D.2A(g)+2B(g)U3C(g)+D(?),如圖④說明生成物D一定是氣體

4.工業(yè)合成氨反應(yīng)在催化劑表面的反應(yīng)歷程及能量變化如圖所示，下列說法正確的是()

①，捌瓶賜吩

催化劑

③7777777777777777

A.增大壓強(qiáng)，①T②之間的能量差值會(huì)增大

B.合成氨的正、逆反應(yīng)的焰變相同

C.合成氨的過程是吸熱過程

D.若使用催化劑，生成等量的NG需要的時(shí)間更短

5.己知合成氨反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)#2NH3(g)AH<0,在特定條件下，其反應(yīng)的速率與參加反應(yīng)的

物質(zhì)的濃度的關(guān)系式為v=kc(N2)?c】，5(H2),cT(NH3)。既要使合成氨的產(chǎn)率增大，又要使反應(yīng)速

率加快，可采取的方法是()

A.升高反應(yīng)溫度B.使用催化劑

C.及時(shí)從平衡混合氣體中分離出NH3D.減小壓強(qiáng)

【關(guān)鍵能力提升練】

1,通過改變下列條件或?qū)嶒?yàn)事實(shí)，得出的結(jié)論正確的是

改變條件或?qū)嶒?yàn)事實(shí)結(jié)論

工業(yè)合成氨氣的反應(yīng)，在達(dá)到平衡后，保

A.平衡不移動(dòng)

持壓強(qiáng)不變，充入氮?dú)?/p>

增大了單位體積內(nèi)的活化分子數(shù)，可以加快氣體反應(yīng)體

B.通過壓縮體積增大壓強(qiáng)

系的反應(yīng)速率

C.改變?nèi)魏斡绊懟瘜W(xué)平衡的外界條件平衡都將發(fā)生移動(dòng)，而且平衡常數(shù)也會(huì)改變

D.加入催化劑可以改變反應(yīng)途徑，活化能以及反應(yīng)物平衡轉(zhuǎn)化率

A.AB.BC.CD.D

A.AB.BC.CD.D

2.下列事實(shí)符合化學(xué)平衡移動(dòng)原理的是()①Q(mào)2在飽和食鹽水中的溶解度比純水中小

②降溫有利于史和出反應(yīng)生成NH3

③可以用濃氨水和濃氫氧化鈉溶液或固體來制取氨氣

④加催化劑有利于合成氨的反應(yīng)

⑤工業(yè)上生產(chǎn)硫酸的過程中，使用過量的空氣以提高二氧化硫的利用率

⑥50(TC左右的溫度比室溫更有利于合成氨的反應(yīng)

A.①②③④⑤⑥B.①②③⑤C.①②③⑤⑥D(zhuǎn).①②③④⑥

3.下列關(guān)于各圖像的解釋或結(jié)論正確的是()

導(dǎo)

電

住

WZ)2?HKQ)/B1cCOrya^L1

②③

A.圖①可表示用NaOH溶液滴定等濃度醋酸溶液，溶液導(dǎo)電性隨NaOH的體積變化

B,圖②可表示25久時(shí)，0.10mol?丁】鹽酸滴定20.00mL0.10mol?『iNaOH溶液的滴定曲線

C.圖③表示水溶液中c(H+)與c(OH-)的變化關(guān)系，則水的電離程度(a)：a(d)>a(c)；水的離子積:

Kw(d)=Kw(b)

D.圖④表示合成氨N2(g)+3H2(g)U2NH3(g)△H<。的平衡常數(shù)與溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系

4.向體積均為1L的A和B兩容器中分別充入2moiN2和2m01也，P停留在1處，在

相同溫度下，兩容器中發(fā)生反應(yīng)：電+3也U2N&△H<0(A容器活塞P無

摩擦，可自由滑動(dòng))，達(dá)到平衡后，A中N2的轉(zhuǎn)化率為30%,下列說法正確的AB

是()

A.分別達(dá)到平衡時(shí)，B容器中電的轉(zhuǎn)化率大于30%

B.分別達(dá)到平衡時(shí)，合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)為63L2/mol2

C.若開始時(shí)只將B容器進(jìn)行絕熱處理，則平衡后N&的體積分?jǐn)?shù)：A<B

D.若開始時(shí)將A容器的活塞P固定在2處，則平衡后其電)：2A<B

【學(xué)科素養(yǎng)拔高練】

1.氮的化合物在化工領(lǐng)域有重要的作用:

(1)以鐵為催化劑，0.6mol氮?dú)夂?.8mol氫氣在恒溫、容積恒定為1L的密閉容器中反應(yīng)生成氨氣,

20min后達(dá)到平衡，氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為0.3mol。

①該條件下氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率是,該溫度下N2+3H2U2NH2的化學(xué)平衡常數(shù)是(保留小數(shù)

點(diǎn)后兩位)。

②在第25min時(shí)，保持溫度不變，將容器體積迅速增大至2L并保持恒容，體系達(dá)到平衡時(shí)*的總轉(zhuǎn)

化率為38.2%.氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率減小的原因是。

1

③合成氨反應(yīng)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)AH=-92.4kJ-mor,在反應(yīng)過程中只改變一個(gè)條

件，正反應(yīng)速率的變化如圖所示：t2時(shí)改變的條件是;t4時(shí)改變的條件是o

(2)①N2H4是一種高能燃料，有強(qiáng)還原性，可通過NH2和NaClO反應(yīng)制得，寫出該制備反應(yīng)的化學(xué)方

程式。

②N2H4的水溶液呈弱堿性，室溫下其電離常數(shù)Kia1.0xIO小，貝go。1mol?L-】N2H4水溶液的pH等

于(忽略N2H4的二級(jí)電離和H2O的電離)。

③已知298K和lOlkPa條件下：

N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)AH1