化学反应条件的优化—工业合成氨

1、 阅读资料阅读资料 19 19世纪以前，一些有远见的化学家指出：考世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，在形式，在2020世纪初成为一项受到众多科学家注目世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。德国化学家哈伯就是从事合和关切的重大课题。德国化学家哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一成氨的工艺条件试验和理论研究的

2、化学家之一, ,他终于在他终于在19131913年实现了合成氨的工业生产，满足年实现了合成氨的工业生产，满足了了2020世纪人口由世纪人口由3030亿增至亿增至6060亿对粮食的需求，因亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人用空气制造面包的圣人”。利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了产，约经历了150150年的时间。年的时间。 化学反应化学反应N N2(g)2(g)+3H+3H2(g)2(g) 2NH 2NH3(g)3(g

3、)看起来十分的简单，看起来十分的简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生程？合成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？产设备和特殊的生产条件？要实现合成氨的工业化生产，必须从化学热力学和化学动力学两个方面选择合成氨的反应条件化学热力学化学动力学化学反应的方向化学反应的限度化学反应的速率合成氨反应能否自发进行怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动怎样能提高合成氨反应速率适宜的合成氨条件工艺流程化学工艺学高压对设备材质、加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等合成氨反应的特点：合成氨反应的特

4、点：可逆反应可逆反应正反应气体体积缩小正反应气体体积缩小正反应是放热反应正反应是放热反应熵减小的反应熵减小的反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.4kJ/MOL(1体积体积) (3体积体积) (2体积体积)不同条件下平衡混合气中氨的含量不同条件下平衡混合气中氨的含量(体积分数体积分数) (原料其中原料其中N2和和H2的体积比是的体积比是1:3 )31.457.579.892.698.81108Pa23.142.265.284.295.46107Pa9.119.138.264.286.42107Pa4.510.625.152.081.51107Pa13.826.447.071

5、.089.93107Pa0.050.10.42.215.3 1105Pa 4000C 6000C 5000C 3000C 2000C压压强强氨氨含含量量温温 度度讨论：讨论：能否用过量氮气提高氢气转能否用过量氮气提高氢气转化率？工业合成氨是否采用此方法？化率？工业合成氨是否采用此方法？1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2 使氨生产快使氨生产快（速率分析）（速率分析）使氨生成多使氨生成多(平衡分析）平衡分析） 压强压强 温度温度 催化催化剂剂高压高压高温高温使用使用高压高压低温低温不影响不影响选择适宜生产条件的原则：选择适宜生产条

6、件的原则：(1)(1)既要注意外界条件对二者影响一既要注意外界条件对二者影响一致性致性, ,又要注意对二者影响的矛盾性。又要注意对二者影响的矛盾性。(2)(2)既要注意温度、催化剂对速率影既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性响的一致性, ,又要注意催化剂的活性又要注意催化剂的活性对温度的限制。对温度的限制。(3)(3)既要注意理论上的需要既要注意理论上的需要, ,又要注意又要注意实际可能性。实际可能性。适宜条件适宜条件:(速率较快速率较快,转化率适中催化剂活性最大转化率适中催化剂活性最大)温度温度: 700K压强压强: 210 510 Pa77(有利于氨的合成有利于氨的合成,对动力、材料强度

7、、对动力、材料强度、设备制造要求适中设备制造要求适中)催化剂：铁触媒催化剂：铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂以铁为主体的多成分催化剂) 使反应物在较低温度下较快的进行反应。使反应物在较低温度下较快的进行反应。浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来， 且向循环气中不断补充且向循环气中不断补充 N2、H2（1:3)。v例1 、能使合成氨反应进行程度增大的方法是（ ）vA、升高温度 B 、降低压强vC、使用催化剂 D 、及时分离出氨气Dv例2、一定温度下，向一个容积为2升的事先加入催化剂的真空密闭容器中通入1molN2和3molH2，3min后测得容器的压强是

8、起始压强的0.9倍，在此时间内，用H2的量的变化来表示该反应的平均速率是（ ）vA、0.2 mol.L-1.min-1 B 、 0.6 mol.L-1.min-1 vC、0.1 mol.L-1.min-1 D、 0.3 mol.L-1.min-1 C二、合成氨工业简述：二、合成氨工业简述：1、主要流程：、主要流程：原料气制取原料气制取 净化净化 压缩压缩 合成合成 分离分离 液氨液氨2、原料气制取：原料气制取：空气空气压缩压缩碳碳液态空气液态空气 N2(先逸出先逸出) 物理方法物理方法蒸发蒸发CO2(+N2) N2 化学方法化学方法 分离出分离出CO2制氮气制氮气:（造气）（净化）（合成氨）制

9、氢气制氢气:水蒸气水蒸气 CO+H2 CO2+H2 H2 炽热碳炽热碳H2O(气气)分离出分离出CO2 C(S)+H2O(g) CO(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) 解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂； 19491949年全国氮肥产量仅年全国氮肥产量仅0.60.6万吨；万吨； 19821982年达到年达到1021.91021.9万吨，成为世界上产量最万吨，成为世界上产量最高的国家之一。高的国家之一。1 1在合成氨工业中，为增加在合成氨工业中，为增加NHNH3 3的日产量，下列变的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的

10、是（化过程不能使平衡向右移动的是（ ）（A A）不断将）不断将NHNH3 3分离出来分离出来（B B）使用催化剂）使用催化剂（C C）采用）采用700K700K左右的高温左右的高温（D D）采用）采用2 210107 75 510107 7PaPa的压强的压强练一练：练一练：BC2 2、合成氨所需的、合成氨所需的H H2 2可由煤和水蒸气反应可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：而制得，其中一步的反应为：COCO(g)(g)+H+H2 2O O（g g） COCO2(g)2(g)+H+H2(g)2(g)（正反应放（正反应放热），下列措施中，能提高热），下列措施中，能提高COCO转化率的转

11、化率的是（是（ ）A A、增大压强、增大压强 B B、降低温度、降低温度 C C、增大水蒸气浓度、增大水蒸气浓度 D D、增大、增大COCO浓度浓度练一练：练一练：BC3、在合成氨反应中，入口气体体、在合成氨反应中，入口气体体积比积比 N2:H2:NH3 为为6:18:1，出口，出口气体体积比为气体体积比为9:27:8，则，则H2的转的转化率为化率为_。25% N2+3H2 2NH3起始起始 6 18 1变化变化 X 3X 2X6-X : 1+2X=9:8 X=1.5H2转化率转化率= 100%=25%1.5318练一练练一练：4、在合成氨时，可以提高、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（

12、转化率的措施是（ ）(A)延长反应时间延长反应时间 (B)充入过量充入过量H2(C)充入过量充入过量N2 (D)升高温度升高温度C5、关于氨的合成工业的下列说法正确的是、关于氨的合成工业的下列说法正确的是 （ ）(A)(A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占从合成塔出来的气体，其中氨一般占15%15%，所，所以生产氨的工业的效率都很低以生产氨的工业的效率都很低(B)(B)由于由于NHNH3 3易液化，易液化，N N2 2、H H2 2可循环使用，则总的说可循环使用，则总的说来氨的产率很高来氨的产率很高(C)(C)合成氨工业的反应温度控制在合成氨工业的反应温度控制在500 500 左右，目左右，目

13、的是使平衡向正反应方向进行的是使平衡向正反应方向进行(D)(D)合成氨工业采用合成氨工业采用2020 MPa - - 50MPa 50MPa ，是因该条，是因该条件下催化剂的活性最好件下催化剂的活性最好B6、在一定条件下，将、在一定条件下，将N N2 2和和H H2 2的混和气体通入固定容积的的混和气体通入固定容积的密闭容器中进行合成氨反应：密闭容器中进行合成氨反应：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3 ( (正正反应为放热反应反应为放热反应) )下列图像表示正确的是：下列图像表示正确的是： （ ）A C (A) (B) (C) (D)7.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：的含量最高：X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g) （正反应为放热反应）（正反应为放热反应）( )A.高温高温 高压高压 B.低温低温 低压低压 C.高温高温 低压低压 D.高压高压 低温低温D8.对于反应对于反应: 2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g)下列判断正确的是下列判断正确的是( )A.2体积体积SO2和足量和足量O2反应反应,必定生成必定生成2体积体积SO3 B.其他条件不变其他条件不变,增大压强增大压强,平衡向右移动平衡向右移动C.平衡时平衡时, SO2消耗速