《工业合成氨》上课课件(省级优质课获奖案例)

选修化学反应原理第二章第4节化学反应条件的优化-工业合成氨山东科技版

选修化学反应原理第二章第4节化学反应条件的优化-工业合合成氨工厂一角N2(g)+3H2(g)2NH3(g)合成氨工厂一角N2(g)+3H2(g)

弗里茨·哈伯：

用空气制造面包的天使

自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨。德国化学家哈伯带领科研团队也从1902年开始研究氨的直接合成。但直到1913年才实现了氨的工业生产。弗里茨·哈伯：

用空气制造面包的天使自弗里茨·哈伯与合成氨

合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10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，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂--铁，使合成氨的设想在1913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1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。我们一起来探究和合成氨的条件的选择？弗里茨·哈伯与合成氨合成氨从第一次实验室研制到工业回顾：氨气的实验室制法（课本P79页）1、实验室制备（1）原理：（2）装置：（3）收集：（4）干燥：

2NH4Cl+Ca(OH)2==CaCl2+2NH3↑+2H2O

△固＋固加热型（与制O2相同）向下排空气法碱石灰回顾：氨气的实验室制法（课本P79页）1、实验室制备2NH4【交流·研讨1】合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1

△S=-198.2J·K-1·mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数K为４.１×１０６（mol·L-1)-2化学反应方向【交流·研讨1】合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H【交流·研讨2】

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？化学平衡角度【交流·研讨2】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于数据一压强对氨气百分数的影响数据一数据二N2H2体积比对产率的影响1:11:21:31:41:51:6

0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2数据二1:11:21:3___温度、___压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为_____时平衡混合物中氨的含量最高。增大降低1：3【小结1】___温度、___压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2【交流·研讨3】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？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质的浓度的关系为:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请同学们根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？化学反应速率角度【交流·研讨3】1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成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：催化剂对合成氨反应速率的影响条件△E/kJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700k)使用Fe催化剂1673、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：1.升高温度2.增大压强3.增大反应物浓度4.使用催化剂5.增大N2H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。【小结2】1.升高温度5.增大N2H2浓度,将氨及时从混合气中分离合成氨的适宜条件的选择生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压强速率分析使NH3生产得快外界条件高压高温使用增大浓度减小浓度平衡分析使NH3生产得多高压低温无影响增大浓度减小浓度合成氨的适宜条件的选择生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压

研讨的内容研讨的问题

1、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？压强怎么定？2、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？3、催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？温度怎么选择？要不要用催化剂？【交流·研讨4】工业流程角度研讨的内容研讨的问题1、既然增大压强1、压强怎么选？

分析：①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。

综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在200～500大气压之间。1、压强怎么选？分析：综合以上两点:根据反应

2、温度怎么选择？

分析：①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。

②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。

③催化剂要在一定温度下催化活性最大。

综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。2、温度怎么选择？分析：②可是温度越低，反应速率越小，

3、用不用催化剂？

实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。

分析:

经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，

原料的利用率要高，单位时间的产量要高。3、用不用催化剂？实际生产中选用铁为主体的多成分

4、浓度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？

增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。

实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1：2.84、浓度怎么定？N2和H2的比例怎么定？增大反外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强

适宜温度

700K左右使用铁触媒作催化剂N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去【小结3】外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度根据反应器可使【小结4】【小结4】工业上利用某可逆反应生产产品：一般要使用催化剂：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；选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；选择合适的压强：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。

【小结·反思】工业上利用某可逆反应生产产品：【小结·反思】二、合成氨工业简述：1、主要流程：原料气制取净化压缩合成分离液氨2、原料气制取：空气压缩碳液态空气N2(先逸出)物理方法蒸发CO2(+N2)N2化学方法

分离出CO2制氮气:（造气）（净化）（合成氨）二、合成氨工业简述：1、主要流程：原料气制取净制氢气:天然气CO+H2CO2+H2H2

H2O(气)分离出CO2

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H2O(气)制氢气:天然气CO+H2《工业合成氨》上课课件(省级优质课获奖案例)合成氨工厂一角合成氨工厂一角合成氨工厂一角合成氨工厂一角我国合成氨工业的发展情况：我国合成氨工业开始于20世纪30年代，1949年新中国成立时合成氨厂只有3家，年生产能力不到0.6万吨。经过几十年的努力，我国已经拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家；到2000年，合成氨年产量达到3363.7万吨，从生产能力和产量上都位居世界前列。我国合成氨工业的发展情况：我国合成氨工业开始于20世为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进？抗毒能力强的新型催化剂仿生固氮酶催化剂【能力提高】为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进？抗毒反馈练习D1.工业合成氨反应是700K左右进行的，这主要原因是（）700K时氨的平衡浓度最大700K时此反应速率最快C.700K时氨的转化率最高D.700K该反应的催化剂能发挥最大的作用反馈练习D1.工业合成氨反应是700K左右进行的，反馈练习AD2.在合成氨工业中，下列操作使平衡向右移动的是()

（A）不断将NH3分离出来（B）使用催化剂（C）采用700K左右的高温（D）采用2×107～5×107Pa的压强反馈练习AD2.在合成氨工业中，下列操作使平衡向右选修化学反应原理第二章第4节化学反应条件的优化-工业合成氨山东科技版

选修化学反应原理第二章第4节化学反应条件的优化-工业合合成氨工厂一角N2(g)+3H2(g)2NH3(g)合成氨工厂一角N2(g)+3H2(g)

弗里茨·哈伯：

用空气制造面包的天使

自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨。德国化学家哈伯带领科研团队也从1902年开始研究氨的直接合成。但直到1913年才实现了氨的工业生产。弗里茨·哈伯：

用空气制造面包的天使自弗里茨·哈伯与合成氨

合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10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，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂--铁，使合成氨的设想在1913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1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。我们一起来探究和合成氨的条件的选择？弗里茨·哈伯与合成氨合成氨从第一次实验室研制到工业回顾：氨气的实验室制法（课本P79页）1、实验室制备（1）原理：（2）装置：（3）收集：（4）干燥：

2NH4Cl+Ca(OH)2==CaCl2+2NH3↑+2H2O

△固＋固加热型（与制O2相同）向下排空气法碱石灰回顾：氨气的实验室制法（课本P79页）1、实验室制备2NH4【交流·研讨1】合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1

△S=-198.2J·K-1·mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数K为４.１×１０６（mol·L-1)-2化学反应方向【交流·研讨1】合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H【交流·研讨2】

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？化学平衡角度【交流·研讨2】请利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于数据一压强对氨气百分数的影响数据一数据二N2H2体积比对产率的影响1:11:21:31:41:51:6

0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2数据二1:11:21:3___温度、___压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为_____时平衡混合物中氨的含量最高。增大降低1：3【小结1】___温度、___压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2【交流·研讨3】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？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质的浓度的关系为:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请同学们根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？化学反应速率角度【交流·研讨3】1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成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：催化剂对合成氨反应速率的影响条件△E/kJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700k)使用Fe催化剂1673、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：1.升高温度2.增大压强3.增大反应物浓度4.使用催化剂5.增大N2H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。【小结2】1.升高温度5.增大N2H2浓度,将氨及时从混合气中分离合成氨的适宜条件的选择生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压强速率分析使NH3生产得快外界条件高压高温使用增大浓度减小浓度平衡分析使NH3生产得多高压低温无影响增大浓度减小浓度合成氨的适宜条件的选择生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压

研讨的内容研讨的问题

1、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？压强怎么定？2、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？3、催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？温度怎么选择？要不要用催化剂？【交流·研讨4】工业流程角度研讨的内容研讨的问题1、既然增大压强1、压强怎么选？

分析：①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。

综合以上两点:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在200～500大气压之间。1、压强怎么选？分析：综合以上两点:根据反应

2、温度怎么选择？

分析：①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。

②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。

③催化剂要在一定温度下催化活性最大。

综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。2、温度怎么选择？分析：②可是温度越低，反应速率越小，

3、用不用催化剂？

实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。

分析:

经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，

原料的利用率要高，单位时间的产量要高。3、用不用催化剂？实际生产中选用铁为主体的多成分

4、浓度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？

增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。

实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1：2.84、浓度怎么定？N2和H2的比例怎么定？增大反外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强

适宜温度

700K左右使用铁触媒作催化剂N2和H2的物质的量比为1：2.8的投料比,氨及时从混合气中分离出去【小结3】外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度根据反应器可使【小结4】【小结4】工业上利用某可逆反应生产产品：一般要使用催化剂：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；选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度；选择合适的压强：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。

【小结·反思】工业上利用某可逆反应生产产品：【小结·反思】二、合成氨工业简述：1、主要流程：原料气制取净化压缩合成分离液氨2、原料气制取：空气压缩碳液态空气N2(先逸出)物理方法蒸发CO2(+N2)N2化学方法

分离出CO2制氮气