工业合成氨(课堂PPT)

1、第第4节化学反应条件优化节化学反应条件优化 工业合成氨工业合成氨第二章第二章 化学反应的方向、限度与速率化学反应的方向、限度与速率饥饿的苏丹饥饿的苏丹十九大报告指出，到十九大报告指出，到2020年我国现行标准下年我国现行标准下农村贫困人口实现脱贫，贫困县全部摘帽，农村贫困人口实现脱贫，贫困县全部摘帽，解决区域性整体贫困，做到解决区域性整体贫困，做到脱真贫、真脱贫脱真贫、真脱贫。 弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：给人类带来丰收和给人类带来丰收和喜悦的喜悦的天使天使，用空，用空气制造面包的气制造面包的圣人。圣人。 德国化学家德国化学家哈伯哈伯带领科带领科研团队也从研团队也从1902年开始研究年开始研究氨的

2、直接合成。但直到氨的直接合成。但直到1913年才实现了氨的工业生产。年才实现了氨的工业生产。 自自1784年发现氨以后，年发现氨以后，人们一直在研究如何利用人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合化学方法由氮气和氢气合成氨。成氨。合成氨反应合成氨反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 假如你是一个合成氨工厂的老板，对工业生假如你是一个合成氨工厂的老板，对工业生产你会考虑哪些问题？产你会考虑哪些问题？加快化学反应速率加快化学反应速率单位时间内产率高单位时间内产率高增大化学反应限度增大化学反应限度原料的利用率要高原料的利用率要高 另外还要考虑生产中的能源消耗、原料另外还要考虑生产中的

3、能源消耗、原料来源、设备条件、环境保护等因素。来源、设备条件、环境保护等因素。反应的可能性要强反应的可能性要强化学反应的方向性化学反应的方向性【一、反应的自发性一、反应的自发性】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)-2H-TS = -33.14 kJmol-

4、10 自发自发结论：降低温度、增大压强有利于氨的合成结论：降低温度、增大压强有利于氨的合成二二 、化学反应限度、化学反应限度1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%n（N2）:n（H2）N2、H2体积比对产率的影响体积比对产率的影响结论：结论： N2、H2体积比为体积比为1:3时平衡混合气中时平衡混合气中NH3含量最高含量最高10【三、化学反应速率、化学反应速率】 你认为可以通过控制哪些条件来提高合你认为可以通过控制哪些条件来提高合成氨的反应速率？成氨的反应速率？提高速率：增大浓度、增大压强、提高速率：增大浓度、增大压强、 升高温度、加入催化

5、剂升高温度、加入催化剂11【三 、化学反应速率、化学反应速率】实验实验研究表明研究表明，在特定条件下，合成，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为关系为: =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的浓度浓度对反反应速率应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率提高反应速率？浓度：增浓度：增c(N2）、）、c(H2)，减小，减小c(NH3)1 1、浓度的要求：、浓度的要求：12 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

6、应速率，又能使平衡正向平衡正向移动，所以移动，所以理论上压强越大越好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 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: :根据反应器钢材质量根据反应器钢材质量及综合指标，一般选择中压生产及综合指标，一般选择中压生产。2 2、压强的选择、压强的选择13条件条件 E /KJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)铁触媒铁触媒催化剂催化剂167使用催化剂可使合成氨的反应速率

7、提高上万亿倍。 =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)3 3、催化剂的选择、催化剂的选择700K催化剂活性T/k14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工业生产中的选择工业生产中的选择一般选择中压：一般选择中压：2050 MPa 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在中压的工艺条件下，合成氨厂出口气中的氨在中压的工艺条件下，合成氨厂出口气中的氨含量一般为含量一般为13%14%，那么剩

8、余的，那么剩余的N2和和H2该如何处理呢？该如何处理呢？P69合成氨工业生产流程示意图合成氨工业生产流程示意图我国合成氨工业开始于我国合成氨工业开始于2020世纪世纪3030年代，年代，19491949年年新新中国成立时合成氨厂只有中国成立时合成氨厂只有3 3家，年生产能力不到家，年生产能力不到0.60.6万吨万吨。经过几十年的努力，我国已经拥有多种。经过几十年的努力，我国已经拥有多种原料、不同流程的大原料、不同流程的大、中中、小合成氨厂小合成氨厂10001000多家；多家；到到20162016年年，合成氨年产量达到，合成氨年产量达到80008000多万吨多万吨，从，从生生产能力和产量上产能力

9、和产量上都位都位居世界前列居世界前列。为了提高合成氨的生产能力，还可为了提高合成氨的生产能力，还可以在哪些方面做进一步改进？以在哪些方面做进一步改进？寻找抗毒能力强的新型催化剂寻找抗毒能力强的新型催化剂寻找更耐压的金属材料寻找更耐压的金属材料仿生固氮酶课题的突破仿生固氮酶课题的突破18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怎样能提高合提高合成氨反成氨反应速率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化学工艺学高

10、压对设备材质、高压对设备材质、加工制造的要求、温度加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等的催化剂活性的影响等【总结】 19091909年，年，哈伯成为第一个从空气中制造出哈伯成为第一个从空气中制造出氨的科学家，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥氨的科学家，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展，因此获的被动局面，加速了世界农业的发展，因此获得得19181918年瑞典年瑞典科学院诺贝尔化学奖科学院诺贝尔化学奖。 一战中，哈伯担任一战中，哈伯担任德国化学兵工厂厂长德国化学兵工厂厂长时时负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，于战

11、争之中，造成近百万人伤亡造成近百万人伤亡，遭到了美、，遭到了美、英、法、中等国科学家们的谴责。英、法、中等国科学家们的谴责。19341934年年1 1月月2929日，哈伯因突发心脏病逝世于瑞士的巴塞尔日，哈伯因突发心脏病逝世于瑞士的巴塞尔。 哈伯的功与过哈伯的功与过：201在合成氨工业中，为增加在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（变化过程不能使平衡向右移动的是（ ）（A）不断将）不断将NH3分离出来分离出来（B）使用催化剂）使用催化剂（C）采用）采用700K左右的高温左右的高温（D）采用）采用21075107Pa的压强的压强练一练：BC212

12、、合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：CO(g)+H2O（g） CO2(g)+H2(g)（正反应放热），下列措施中，能提高CO转化率的是（ ）A、增大压强 B、降低温度C、增大CO浓度 D、增大水蒸气浓度BD223、关于氨的合成工业的下列说法正确的是 （ ）(A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占15%，所以生产氨的工业的效率都很低(B)由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来氨的产率很高(C)合成氨工业的反应温度控制在500 左右，目的是使平衡向正反应方向进行(D)合成氨工业采用20 MPa - 50MPa ，是因该条件下催化剂的活性最好B 4.已知2SO2SO2 2(g)+O(g)+O2 2(g)(g) 2SO2SO3 3 (g) (g) H H0 0。催化剂催化剂V V2 2O O5 5在在400400500 500 时催化效果最好。时催化效果最好。(1) 应选用的温度是_。应采用的压强是_，理由是_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