化学反应条件的优化工业合成氨

化学反应条件的优化工业合成氨第1页/共35页教学目标：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。第2页/共35页教学重点、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第3页/共35页[阅读资料]19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，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形式，在20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,他终于在1913年实现了合成氨的工业生产，满足了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”。

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利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了150年的时间。化学反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)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？要实现合成氨的工业化生产，必须从化学热力学和化学动力学两个方面选择合成氨的反应条件第5页/共35页化学反应的方向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高压对设备材质、加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等第6页/共35页合成氨反应的特点：①可逆反应③正反应气体体积缩小④正反应是放热反应②熵减小的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)⊿H

＝-92.4kJ/mol(1体积)(3体积)(2体积)第7页/共35页不同条件下平衡混合气中氨的含量(体积分数)(原料其中N2和H2的体积比是1:3)31.457.579.892.698.81×108Pa23.142.265.284.295.46×107Pa9.119.138.264.286.42×107Pa4.510.625.152.081.51×107Pa13.826.447.071.089.93×107Pa0.050.10.42.215.31×105Pa4000C6000C5000C3000C

2000C压强氨含量温度第8页/共35页讨论：能否用过量氮气提高氢气转化率？工业合成氨是否采用此方法？1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2第9页/共35页

使氨生产快（速率分析）使氨生成多(平衡分析）

压强

温度

催化剂高压高温使用高压低温不影响第10页/共35页选择适宜生产条件的原则：(1)既要注意外界条件对二者影响一致性,又要注意对二者影响的矛盾性。(2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性,又要注意催化剂的活性对温度的限制。(3)既要注意理论上的需要,又要注意实际可能性。第11页/共35页适宜条件:(速率较快,转化率适中催化剂活性最大)温度:700K压强:2×10～5×10Pa（200～500atm）77(有利于氨的合成,对动力、材料强度、设备制造要求适中)催化剂：铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂)

使反应物在较低温度下较快的进行反应。浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，且向循环气中不断补充N2、H2（1:2.8)。第12页/共35页例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第13页/共35页例2、一定温度下，向一个容积为2升的事先加入催化剂的真空密闭容器中通入1molN2和3molH2，3min后测得容器的压强是起始压强的0.9倍，在此时间内，用H2的量的变化来表示该反应的平均速率是（）A、0.2mol.L-1.min-1B、0.6mol.L-1.min-1

C、0.1mol.L-1.min-1D、0.3mol.L-1.min-1

C第14页/共35页二、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）第15页/共35页制氢气:水蒸气CO+H2CO2+H2H2

炽热碳H2O(气)分离出CO2

C(S)+H2O(g)CO(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)第16页/共35页第17页/共35页第18页/共35页第19页/共35页第20页/共35页第21页/共35页第22页/共35页第23页/共35页第24页/共35页我国合成氨工业的发展情况：

解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；

1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；

1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。第25页/共35页1．在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列变化过程不能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的压强练一练：BC第26页/共35页2、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、增大水蒸气浓度D、增大CO浓度练一练：BC第27页/共35页3、在合成氨反应中，入口气体体积比N2:H2:NH3为6:18:1，出口气体体积比为9:27:8，则H2的转化率为________。25%

N2+3H22NH3起始6181变化X3X2X6-X:1+2X=9:8X=1.5H2转化率=×100%=25%1.5×318练一练：第28页/共35页4、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）(A)延长反应时间(B)充入过量H2(C)充入过量N2(D)升高温度C第29页/共35页5、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第30页/共35页6、在一定条件下，将N2和H2的混和气体通入固定容积的密闭容器中进行合成氨反应：N2+3H22NH3(正反应为放热反应)下列图像表示正确的是：

（）AC(A)(B)(C)(D)第31页/共35页7.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2(g)

X2Y4(g)

（正反应为放热反应）()A.高温高压B.低温低压C.高温低压D.高压低温D第32页/共35页8.对于反应:2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)下列判断正确的是()A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动C.平衡时,SO2消耗速率必定等于O2的生成速率的两倍D.