化学反应条件的优化-工业合成氨高中化学·选修4·鲁科版 课件

第4节化学反应条件的优化——工业合成氨高中化学·选修4·鲁科版[目标导航]

1.认识合成氨的化学原理。2.应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。3.了解合成氨生产的主要流程。4.了解工业条件选择的依据和原则。<

<

2．合成氨反应的特点

(1)能自发进行。

(2)正反应是

热反应。

(3)正反应是气体物质的量

的反应。

(4)可逆反应。3．

温度、

压强有利于化学平衡向生成NH3的方向移动；在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积比为

时，平衡混合物中NH3的含量最高。

放减小降低增大1∶2.8二、合成氨反应的速率1．

N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。2．

温度有利于提高合成氨的速率。3．加入合适的催化剂能

合成氨反应的活化能，加快化学反应的速率。增大升高降低三、合成氨的适宜条件1．合成氨反应条件的选择原则

(1)尽量增大反应物的

，充分利用原料；

(2)选择较快的

，提高单位时间内的产量；

(3)考虑设备的要求和技术条件。转化率化学反应速率低压

中压

高压

越大

(2)温度①适宜条件：

左右。②理论依据：该温度下催化剂的活性

，反应速率比较快，氨的含量也相对较高。(3)催化剂适宜条件：以

为主的多成分催化剂。

700K最强铁(4)浓度①适宜条件：N2和H2按物质的量之比1∶2.8时混合，适时分离出

。②理论依据：适当提高

的浓度，来提高H2的转化率。(5)其他为了提高原料的

，未反应的N2和H2循环使用并及时补充N2和H2。

氨气N2利用率1．(选一选)

下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是(

) A．使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨

B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应

C．500℃左右比室温更有利于合成氨的反应

D．合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率答案B解析催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500℃是综合考虑反应速率和转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。(2)温度越低越利于合成氨平衡正向移动，工业合成氨采用700K，不采用低温操作的理由是温度低时反应速率小，单位时间内NH3的产量低。

(3)试分析实际生产中采取700K左右的温度的原因是温度升高，不利于提高反应物的转化率，温度过低，反应速率小，单位时间内NH3的产量低。并且在此温度时，催化剂的活性最大。

(4)压强越大越有利于合成氨平衡正向移动和提高反应速率，而实际采用的最高压强为8.5×107～1×108Pa，不采用更高的压强，其原因是：实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。采用更高的压强，对设备和材料的要求越高，需要的动力越大，会增加投资和能量消耗，不经济。3．(填一填)在容积相同的四个容器中，按下列要求充入各气体，并加入适当的催化剂，在673K时分别建立平衡，四种情况下H2的转化率由大到小的顺序是________。 ①1molN2＋3molH2

②2molN2＋3molH2 ③1molN2＋4molH2

④1molN2＋4molH2＋0.5molNH3

答案②＞①＞③＞④解析②是在①中增加N2，故H2的转化率增大，即②＞①。③是在①中增加H2，故H2的转化率减小，即①＞③。而④是在③基础上增加氨，平衡向逆反应方向移动，H2的转化率变小，有③＞④。由此可知H2的转化率由大到小的顺序为②＞①＞③＞④。工业生产中选择适宜生产条件的思路1．分析化学反应的特点：从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析。2．根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响。3．从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。外界条件有利于加快反应速率的控制有利于平衡移动条件的控制综合分析结果浓度增大反应物浓度增大反应物浓度、减小生成物浓度不断补充反应物、及时分离出生成物压强高压(有气体参加)ΔV<0高压设备条件允许的前提下，尽量采取高压ΔV>0低压兼顾速率和平衡、选取适宜的压强温度高温ΔH<0低温兼顾速率和平衡、考虑催化剂的适宜温度ΔH>0高温在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并选取催化剂催化剂加合适的催化剂无影响加合适的催化剂，考虑催化剂活性与温度关系[关键提醒]

对化工生产中的化学反应条件进行优化选择时，要运用反应速率与化学平衡移动原理，同时考虑生产中的设备材料、动力要求、催化剂等因素。

【例1】关于工业合成氨的叙述中，错误的是(

)A．在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行B．温度越高越有利于工业合成氨C．在工业合成氨中N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本D．及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动答案B解析合成氨的反应为放热反应，温度越高，NH3的产率越低，温度太高会影响催化剂的催化效果。p/PaT/℃

1×1055×1051×1065×1061×10745097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3(1)从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是____________________________________。(2)实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，其原因是__________________________________________________。(3)实际生产中，采用的压强为常压，其原因是______________________________________________________________。

(4)在生产中，通入过量空气的目的是_____________________________________________________________________。(5)尾气中有SO2必须回收是为了_______________________。答案：(1)低温、高压(2)该温度是催化剂的活性最强的温度，选择此温度可提高反应速率，缩短反应达到平衡所需要的时间(3)因为在常压下，400～500℃时，SO2的转化率已经很高了，若再加压，对设备及动力系统要求高，加大了成本和能量消耗，不经济(4)增大氧气的浓度，使平衡向生成SO3的方向移动，提高SO2的转化率(5)减少对环境的污染解析：从提高反应