化学反应条件的优化——工业合成氨课件

1、化学反应条件的优化化学反应条件的优化工业合成氨工业合成氨化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）学习目标学习目标 ： 了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件 了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产的选择与理论分析的差异; 通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。学习重点、难点： 应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件。化学反应条件的优化化学反应条件的优化工业合成氨工业合成氨化学反应原

2、理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云） 1919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

3、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”。化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）弗里茨弗里茨哈伯与合成氨哈伯与合成氨合成

4、氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150150年年的时间。德国科学家哈伯在的时间。德国科学家哈伯在1010年的时间内进行了无年的时间内进行了无数次的探索，单是数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂寻找高效稳定的催化剂，2 2年间他们就年间他们就进行了多达进行了多达65006500次试验次试验，测试了，测试了25002500种不同的配方种不同的配方，最后，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在19131913年成为年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典

5、皇家科学院于19181918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。化学反应化学反应N N2(g)2(g)+3H+3H2(g) 2(g) 2NH2NH3(g)3(g)看起来十分的简单，为什看起来十分的简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨工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产设备和特殊的生产条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？件？化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）化学反应的方向

6、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化学工艺学高压对设备材质、高压对设备材质、加工制造的要求、加工制造的要求、温度的催化剂活性温度的催化剂活性的影响等的影响等化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）课前预习课前预习1 1：合成氨反应有什么特点？：合成氨反应有什么特点？ 可逆反应可逆反应 熵减小的反应熵减小的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

7、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)化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）一：一：合成氨反应是一个可逆反应合成氨反应是一个可逆反应: : N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g)2NH(g)2NH3 3(g)(g)已知已知298K298K时时: : H= -92.2KJmolH= -92.2KJmol11 ， S = -198.2JKS = -198.2JK11molmol11，请根据正反应的焓

8、变和熵变分析，请根据正反应的焓变和熵变分析298K298K下合成氨反应能否自发进行？下合成氨反应能否自发进行？298K298K下合成氨反应的平衡下合成氨反应的平衡常数常数K K为为4.14.1106106（molLmolL11) )22化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云） 把把T=298KT=298K，H= -92.2KJmolH= -92.2KJmol11 ， S = -S = -198.2JK198.2JK11molmol11代入代入 H-TH-T S S小于小于0 0，知

9、，知298K298K下合成氨反应能自发进行。下合成氨反应能自发进行。注意换算单位注意换算单位S = -198.2JKS = -198.2JK11molmol11= -198.2= -198.21010-3-3KJKKJK11molmol11 二二：1.N1.N2 2、H H2 2体积比为多少时平体积比为多少时平衡混合物中氨的含量最高衡混合物中氨的含量最高0.60.50.40.30.20.11:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 NH3%n(N2):n(H2)化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成

10、氨课件（莱阳九中吕翠云）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 )31.457.579.892.698.81108Pa23.142.265.284.295.46107Pa9.119.138.264.286.42107Pa4.510.625.152.081.51107Pa13.826.447.071.089.93107Pa0.050.10.42.215.3 1105Pa 4000C 6000C 5000C 3000C 2000C压压强强氨氨含含量量温温 度度二：二：2.2.利用化学平衡移动的知识分

11、析什么条利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？件有利于氨的合成？化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）越高越好越高越好越越低低越越好好三三: : 1 1. .你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的速率？ 2 2. .实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为质的浓度的关系为: =: =C C(N(N2 2) )C C1. 5

12、1. 5(H(H2 2) )C C11(NH(NH3 3) ) ， 请你根据关请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？施来提高反应速率？ 3 3. .请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：条件条件活化能活化能k(k(催催)/k()/k(无无) )无催化剂无催化剂3353353.43.410101212(700(700k)k)使用使用167167 化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应

13、条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云升高温度；增大压强；使用催化剂升高温度；增大压强；使用催化剂增大增大N N2 2和和H H2 2浓度；减小浓度；减小NHNH3 3浓度浓度加入催化剂，加入催化剂，降低了活化能降低了活化能增大了反应速率常数增大了反应速率常数大大加快了反应速率大大加快了反应速率化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）外界条件外界条件使使NHNH3 3生产得快生产得快( (速率分析速率分析)使使NHNH3 3生产得多生产得多(

14、(平衡分析平衡分析) )压强压强 增增大大 增大增大温度温度 升高升高 降低降低催化剂催化剂 有有 无影响无影响反应物的浓度反应物的浓度 增大增大 增大增大生成物氨的浓度生成物氨的浓度 减小减小 减小减小研讨的内容研讨的内容研讨的问题研讨的问题 1 1. .既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？压强怎么定？压强怎么定？ 2 2. .既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好那么生产中是否温度越低越好

15、温度怎么选择？温度怎么选择？ 3 3. .催化剂对化学平衡的移动没有影响，催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？工业中要不要使用催化剂，为什么？要不要用催化剂？要不要用催化剂？四：四：1. 1.怎样选择怎样选择工业合成氨的适宜条件？工业合成氨的适宜条件？化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）练习1 .能使合成氨反应进行程度增大的方法是（ ）A、升高温度 B 、降低压强C、使用催化剂 D 、及时分离出氨气D化学反应原理第二章第四节化学反应

16、条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）练习练习2.2.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，下的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（列变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BC化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成

17、氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）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:（造气造气）（净化净化）（合成氨合成氨）化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）制氢气制氢气:

18、化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）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)化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件

19、（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云） 化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云） 化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云） 化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云） 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； 1

20、949 1949年全国氮肥产量仅年全国氮肥产量仅0.60.6万吨；万吨； 1982 1982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。化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业制造硫酸的主要反应为工业制造硫酸的主要反应为:2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) H=-197.8 KJ/mol SO3(g) + H2O(l) = H2SO4 (aq) 1.反应的平衡常数反应的平衡常数K随温度升高而减小随温度升

21、高而减小.2.所用催化剂的主要成分为所用催化剂的主要成分为V2O5(6-12) K2SO4(17-20) 、SiO2(50-70),能使催化能使催化剂中毒的物质有砷、硒、氟等剂中毒的物质有砷、硒、氟等.3.3.请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件应的工艺条件( (温度温度 、压强、原料气、压强、原料气配比等配比等) )对工业生产硫酸的影响对工业生产硫酸的影响. .由温度与平衡常数的关系可知：降低温度有利于平衡由温度与平衡常数的关系可知：降低温度有利于平衡向生成向生成SO3的方向进行；的方向进行； 由反应后气体的物质的量由反应后气体的物质的量减小可推知：增

22、大压强有利于平衡向生成减小可推知：增大压强有利于平衡向生成SO3的方向的方向进行；从化学反应速率方面：升高温度有利于提高化进行；从化学反应速率方面：升高温度有利于提高化学反应速率；增大压强有利于提高化学反应速率。学反应速率；增大压强有利于提高化学反应速率。化学反应条件的优化及选择要同时兼顾化学平衡和化化学反应条件的优化及选择要同时兼顾化学平衡和化学反应速率以及实际生产条件等。温度：学反应速率以及实际生产条件等。温度：700K左右；左右；压强：常压；选用催化剂；压强：常压；选用催化剂；原料配比，从化学平衡方面，原料配比，从化学平衡方面，V（SO2）：）：V（O2）=2:1可使两种反应物转化率高，

23、而增大可使两种反应物转化率高，而增大V（O2）可加）可加快反应速率。兼顾两方面采用的原料配比应略小于快反应速率。兼顾两方面采用的原料配比应略小于2：1；且原料气在进入接触室之前必须经过除尘、洗涤、；且原料气在进入接触室之前必须经过除尘、洗涤、干燥等净化措施。干燥等净化措施。化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）小组合作讨论五小组合作讨论五：（5分钟）（分钟）（8组准备展示）组准备展示）1.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（转化率的措施是（ ）A.延长反应

24、时间延长反应时间 B.充入过量充入过量H2C.充入过量充入过量N2 D.升高温度升高温度C做当堂检测（6分钟）化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）2.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，则总的可循环使用，则

25、总的说来氨的产率很高说来氨的产率很高 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，左右，目的是使平衡向正反应方向进行目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，是因该条件下催化剂的活性最好该条件下催化剂的活性最好B化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）3.工业上合成氨时一般采用500左右的温度，其原因是 （ ）适当提高氨的合成速率 提高H2的转化率提高氨的产率

26、 催化剂在500时活性最大 A只有 B C DD4.已知已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) H0其实验数据见表其实验数据见表 （1）应选用的温度是）应选用的温度是 。 （2）应采用的压强是）应采用的压强是 ，理由是，理由是 （3）在生产中，通入过量空气的目是）在生产中，通入过量空气的目是 。 (4）原料气必需净化的原因是）原料气必需净化的原因是 。 (5)尾气中有尾气中有SO2必须回收是为了必须回收是为了 。450 常压常压因为常压下因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高 。防止催化剂中毒防止催化剂中毒防止污染空气防止污染空气化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化化学反应原理第二章第四节化学反应条件的优化- -工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）工业合成氨课件（莱阳九中吕翠云）提高提高SO2的转化率的转化率5.5.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） CO CO2(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COC