化学反应条件的优化---工业合成氨(精)

1、化学反应条件的优化学反应条件的优-工业合成氨工业合成氨复习复习影响化学反应速率和化学平衡影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些的重要因素有哪些? 化学反应速率化学反应速率 化学平衡化学平衡 温度温度气体压强气体压强催化剂催化剂浓度浓度温度越高温度越高,反应速反应速率越大率越大压强越大压强越大,反应速反应速率越大率越大正催化剂加快反应正催化剂加快反应速率速率反应物浓度越大反应物浓度越大,反反应速率越大应速率越大升高温度升高温度,平衡向吸平衡向吸热方向移动热方向移动增大压强增大压强,平衡向气态物平衡向气态物质系数减小的方向移动质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响催化剂对平衡无影响增大反应物浓

2、度增大反应物浓度,平平衡正向移动衡正向移动 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：弗里茨弗里茨哈伯与合成氨哈伯与合成氨 合成氨从第一次实验室研制到工业化投合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约产经历了约150150年的时间。德国科学家哈伯在年的时间。德国科学家哈伯在1010年的时间内进行了无数次的探索，单是寻年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，找高效稳定的催化剂，2 2年间他们就进行了多年间他们就进行了多达达65006500次试验，测试了次试验，测试了25002500种不同的配方，种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂最后选定了一种合适的催化剂-铁，使合成铁，使合成氨的设想在氨的

3、设想在19131913年成为工业现实。鉴于合成年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于氨工业的实现，瑞典皇家科学院于19181918年向年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。哈伯颁发了诺贝尔化学奖。化学热化学热力学力学化学动化学动力学力学化学反应化学反应的方向的方向化学反应化学反应的限度的限度化学反应化学反应的速率的速率合成氨反合成氨反应能否自应能否自发进行发进行？怎样能促怎样能促使化学平使化学平衡向合成衡向合成氨方向移氨方向移动动？怎样能提怎样能提高合成氨高合成氨反应速率反应速率？适宜的合成氨条件适宜的合成氨条件工艺流程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

4、影响等【交流交流研讨研讨】合成氨反应是一个可逆反应合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)已知已知298K时时: H= -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析请根据正反应的焓变和熵变分析298K下下合成氨反应能否自发进行？合成氨反应能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数下合成氨反应的平衡常数K为为.（molL-1)-2书书P65 P65 合成氨反应的特点：合成氨反应的特点：可逆反应可逆反应正反应正反应气态物质系数减小气态物质系数减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(

5、g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol(1体积体积) (3体积体积) (2体积体积) S = -198.2JS = -198.2JK-1K-1mol-1mol-1一、合成氨反应的限度一、合成氨反应的限度【交流交流研讨研讨】 请利用化学平衡移动的知识分析请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成什么条件有利于氨的合成书书P65 P65 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2_温度、温度、_压压强强有利于化学平衡有利于化学平衡向向生成氨的方生成氨的方向移动向移动，N2、H2体积体积比为比为_时平衡混合物中氨的含量最高

6、时平衡混合物中氨的含量最高。增大降低1：3二、合成氨反应的速率二、合成氨反应的速率【交流交流研讨研讨】1、你认为可以通过控制那些反应、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？条件来提高合成氨反应的速率？2、实验实验研究研究表明表明，在特定条件下，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为度的关系为: =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的请你根据关系式分析：各物质的浓浓度度对对反反应速率有哪些影响？可以采应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？取哪些措施来提高反应速率？书书P66 P66 3

7、、请你根据下表所给的数据分析催化、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：剂对合成氨反应速率的影响：催化剂对合成氨反应速率的影响条件条件 E /KJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)使用使用Fe催化剂催化剂1671.升高温升高温度度2.增大压增大压强强3.增大反应物浓度增大反应物浓度4.使用催化剂使用催化剂5.增大增大N2H2浓度浓度,将氨及时从将氨及时从混合气中分离出去混合气中分离出去使用催化剂可使合成氨反应的速率提使用催化剂可使合成氨反应的速率提高高上万亿上万亿倍。倍。生成生成物物氨的浓度氨的浓度反应物的浓度反应物的浓度催化剂催化

8、剂温度温度压强压强速率分析速率分析使使NH3生产得生产得快快外界条件外界条件高压高压高温高温使用使用增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度平衡分析平衡分析使使NH3生产得生产得多多高压高压低温低温无影响无影响增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度 研讨的内容研讨的内容研讨的问题研讨的问题 1、既然增大压强既可提、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？业中压强是否越大越好？压强怎么定？压强怎么定？2、既然降低温度有利于、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越，那么生产中是否

9、温度越低越好？低越好？3 、催化剂对化学平衡的移动催化剂对化学平衡的移动没有影响没有影响， 在合成氨工业中在合成氨工业中要要不要不要使用催化剂使用催化剂，为什么为什么？温度怎么选择？温度怎么选择？要不要用催化要不要用催化剂？剂？ 1 1、压强怎么选？、压强怎么选？ 分析：分析： 合成氨反应是气态物质系数减小的气体合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，反应，增大增大压强既可以压强既可以增大增大反应速率，又能使反应速率，又能使平衡正向平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。移动，所以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对但是压强越大，对设备设备的要求高、压缩的要求高、压缩H H2 2和和N N2

10、2所需要的所需要的动力动力大，因此选择压强应符合大，因此选择压强应符合实际科学技术。实际科学技术。 综合以上两点综合以上两点: :根据反应器可使用的钢根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。材质量及综合指标来选择压强。实际生产中实际生产中压强一般选择在压强一般选择在200200500500大气压大气压之间。之间。 2 2、温度怎么选择？、温度怎么选择？ 分析：分析： 因为正反应方向是放热的反应，所以因为正反应方向是放热的反应，所以降低降低温温度有利于平衡度有利于平衡正向正向移动。移动。 可是温度越低，反应可是温度越低，反应速率越小速率越小，达到平衡所需，达到平衡所需要的时间越要的时间越

11、长长，因此温度也不宜太低。，因此温度也不宜太低。 催化剂催化剂要在一定温度下催化要在一定温度下催化活性活性最大。最大。 综合以上因素综合以上因素: :实际生产中温度一般选择在实际生产中温度一般选择在700K700K左右左右（主要考虑催化剂的活性）（主要考虑催化剂的活性）。 3 3、用不用催化剂？、用不用催化剂？ 实际生产中选用实际生产中选用铁铁为主体的多成分催化剂为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在（铁触媒），它在700K700K时活性最高。时活性最高。 分析分析: : 经济效益经济效益和和社会效益社会效益要求化学反应速度要要求化学反应速度要快快， 原料的利用率要原料的利用率要高高，单位时间的

12、产量要，单位时间的产量要高高。 4 4、浓度怎么定？、浓度怎么定？ N N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？ 增大增大反应物的浓度可以反应物的浓度可以增大增大反应速率，反应速率，减小减小生成物的浓度可以使平衡生成物的浓度可以使平衡正向正向移动。从化学平衡移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1 1：3 3时，平衡时，平衡转化率最大转化率最大，但是，但是实验测得实验测得适当提高适当提高N N2 2的的浓度，即浓度，即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8时，更能促时，更能促进氨的合成。进

13、氨的合成。 实际生产中的处理方法实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却：及时将气态氨冷却液化分离液化分离出去；及时将氮气和氢气出去；及时将氮气和氢气循环循环利用，使利用，使其保持一定的浓度。其保持一定的浓度。即即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8（阅读书本（阅读书本67页）页）外部条件外部条件工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件压强压强温度温度催化剂催化剂浓度浓度研讨的结果根据反应器可使用的钢材质根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强量及综合指标来选择压强 适宜温度适宜温度 700K左右左右使用铁触媒作催化剂使用铁触媒作催化剂N2和和H2的

14、物质的量比为的物质的量比为1：2.8的投的投料比料比, 氨及时从混合气中分离出去氨及时从混合气中分离出去【总结总结】工业上利用某可逆反应生产产品：工业上利用某可逆反应生产产品： 一般要一般要使用催化剂使用催化剂：这样可以大大加快化学：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 选择选择合适的温度合适的温度：该温度是催化剂活性最大：该温度是催化剂活性最大的温度；的温度； 选择选择合适的压强合适的压强：既要考虑化学反应速率和：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。 【小结小结反

15、思反思】第二课时第二课时二、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）制氢气制氢气:天然气天然气 CO+H2 CO2+H2 H2 H2O(气气)分离出分离出CO2 CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)H2O(H2O(气气) ) 解放

16、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； 20002000年达到年达到3363.73363.7万吨，成为世界上产量最万吨，成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中中、小合成氨厂小合成氨厂10001000多家多家. . 例题 ： 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D1 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

17、化过程不能使平衡向右移动的是（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

18、，能提高COCO转化率的转化率的是（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%1.53184、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

19、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