中學(xué)化學(xué)中有關(guān)合成氨工業(yè)的教學(xué)策略

人教版中學(xué)化學(xué)(選修)第三冊中講述了合成氨的有關(guān)知識，這節(jié)內(nèi)容難度較大，實驗操作危險系數(shù)大，如何在課堂教學(xué)中順利、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地完成這項教學(xué)任務(wù)一直被視為教學(xué)難點。下面我結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗談?wù)劚竟?jié)內(nèi)容的教學(xué)策略。

一、合成氨工業(yè)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的地位及作用

知識技能:初步認(rèn)識合成氨的化學(xué)原理;了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理來選擇適宜的化工生產(chǎn)條件的一般原則;了解合成氨生產(chǎn)的主要流程。

二、引導(dǎo)學(xué)生思考合成氨工業(yè)條件的選擇

1.溫度。從平衡角度考慮，合成氨低溫有利，但溫度過低，速率很慢，需要很長的時間才能達(dá)到平衡，很不經(jīng)濟，所以實際生產(chǎn)中，采用500℃左右的適宜溫度。(此時催化劑的活性最大)

2.壓強。溫度一定時，增大混合氣的壓強有利于氨的合成;但壓強越大需要的動力越大，對材料的強度和設(shè)備的制造要求越高。一般采用2×10—5×10Pa的高壓。

3.催化劑。為加快反應(yīng)速度，采用以鐵為主體的多成分催化劑，以稱鐵觸媒。

在實際生產(chǎn)中，我們還需要將生成的NH及時分離出來，并且不斷地向循環(huán)氣體中補充N、H，以增加濃度。

疑難問題分析:適宜條件的選擇。

目的:盡可能加快反應(yīng)速率和提高反應(yīng)進(jìn)行程度。

依據(jù):外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡影響的規(guī)律。

原則:①既要注意條件對速率的影響，又要注意對轉(zhuǎn)化率的影響。

②既要注意溫度、催化劑對速率的影響，又要注意催化劑活性對溫度的限制。

③既要注意理論生產(chǎn)，又要注意實際可能性。

適宜條件:①2×10—5×10Pa;②500℃;③鐵觸媒;④循環(huán)操作，氨及時分離，增加N、H濃度。

三、展示合成氨工業(yè)流程，最好參觀合成氨工廠生產(chǎn)流程

合成氨工藝，其工藝流程為:

1.無煙煤或焦碳破碎篩分→煤氣化→煤氣預(yù)處理→煤氣變換→脫除殘硫或脫除CO→甲烷化→合成氣壓縮→氨合成，其特征在于脫除殘硫或脫除CO。

2.采用低溫甲醇洗技術(shù)，煤氣預(yù)處理后，大部分進(jìn)入氨合成工藝，小部分作為燃?xì)馔钙降娜剂希瑤用簹鈮嚎s機，外來脫鹽水經(jīng)煤氣變換工序末端冷卻器預(yù)熱后進(jìn)入脫氧槽脫氧，脫氧水大部分泵往煤氣化工序和氨合成工序的鍋爐給水預(yù)熱器和廢熱鍋爐，產(chǎn)生壓力為2.5—6.5MPa的飽和蒸汽，經(jīng)過熱，導(dǎo)入蒸汽透平，膨脹做功，背壓蒸汽小部分導(dǎo)入脫氧槽，大部分經(jīng)燃?xì)馔钙降呐艧煹兰訜岷髮?dǎo)往煤氣化工序，余熱回收工序和煤氣變換工序的裝置間設(shè)有循環(huán)熱水管道。

無煙煤或焦碳破碎篩分→煤氣化(C+HO=CO+H)→煤氣預(yù)處理→煤氣變換(CO+HO=CO+H)→脫除殘硫或脫除CO→甲烷化→合成氣壓縮→氨合成(N+3H=2NH)，有條件的地方最好參觀合成氨工廠生產(chǎn)流程。參觀工廠生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，邊參觀邊思考，以達(dá)到運用知識的目標(biāo)。

四、了解用途

合成氨是生產(chǎn)尿素、磷酸銨、硝酸銨等化學(xué)肥料的主要原料，工業(yè)生產(chǎn)過程是以天然氣或煤炭為原料通過水蒸氣重整工藝制得氫氣，然后與氮氣進(jìn)行高壓合成制得合成氨。

五、國內(nèi)先進(jìn)工藝簡介

據(jù)中國化工報報道，南京國昌化工科技有限公司已開發(fā)成功自熱非等壓醇烷化合成氨原料氣凈化新工藝，并在山東肥城化肥廠裝置上獲應(yīng)用，總醇氨規(guī)模達(dá)20萬噸，各項運行指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。該工藝比原銅洗工藝降低噸氨成本90元，且可比其他凈化工藝多產(chǎn)甲醇，為我國氮肥行業(yè)節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境、實現(xiàn)多種經(jīng)營創(chuàng)出一條新路。

自熱非等壓醇烷化合成氨原料氣凈化新工藝是在合成氨原料氣壓縮至8.0—16.0MPa壓力下設(shè)置一套中壓醇化裝置，再在20—31.40MPa壓力等級下設(shè)置一套高壓醇化和一套高壓烷化裝置。中壓醇化裝置以產(chǎn)醇為主，可實現(xiàn)1∶1—1∶10的醇氨比;高壓醇化及高壓烷化裝置以凈化為主。

六、合成氨工業(yè)廢水污染現(xiàn)狀

我國合成氨企業(yè)普遍規(guī)模小、能耗高和管理水平低，所以造成了嚴(yán)重的水污染等問題。分析原因主要有以下幾個方面。

1.廢稀氨水的大量排放。企業(yè)廢水中氨嚴(yán)重超標(biāo)的主要原因是合成、精煉、脫硫等工段大量廢稀氨水的直接排放所造成的。近幾年來，人們在廢稀氨水回收方面做了大量的技術(shù)研究工作，對以生產(chǎn)碳酸氫按為主導(dǎo)產(chǎn)品的企業(yè)來說，將工藝裝置排放的稀氨水通過逐級提濃后送入碳化工段制成碳酸氫氨的辦法，基本做到了稀氨水的回收與利用。但是對于以生產(chǎn)液氨、尿素和非碳酸氫按產(chǎn)品的合成氨企業(yè)來說，氨氮污染問題仍未得到有效的控制。因此走“清潔生產(chǎn)”之路，盡快尋求一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理，適合中、小型合成氨生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟狀況的氨回收技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

2.工業(yè)廢水和污水混合排放，造成排水量大。多年來，合成氨企業(yè)廢水排放大多采用混流方式，即各生產(chǎn)工段排放的污水與循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排放的較清潔廢水混合后一起排放，這不僅增大了污水的排放量，而且造成了大量水資源的嚴(yán)重浪費。因此，已建成的污水處理站投資費用和運行費用均居高不下，企業(yè)難以正常運行。“清污分流，分質(zhì)處理，循環(huán)利用”應(yīng)是治理合成氨工業(yè)水環(huán)境污染重點考慮的問題。

3.污水治理技術(shù)相對滯后。由于合成氨企業(yè)污水中成分比較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的活性污泥法處理工藝，可能對去除COD效果較好，但難以保證特征污染物氨氮的有效去除。盡快加強合成氨污水治理新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究，強化氨氮脫除效率，是擺在我們面前新的研究任務(wù)。

總之，教師應(yīng)在宏觀上把握知識結(jié)構(gòu)，在教學(xué)活動中采取靈活多樣的方式，讓學(xué)生感到化學(xué)就在身邊，化學(xué)與實際生產(chǎn)密切相關(guān)。