4、化学反应条件的优化——工业合成氨.ppt

第4节化学反应条件的优化 工业合成氨 19世纪以前 有远见的化学家曾指出 考虑到将来的粮食问题 为使子孙后代免于饥饿 必须寄希望于科学家能实现大气固氮 将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式 德国化学家哈伯在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 弗里茨 哈伯 拓展视野 利用氮气 氢气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 反应看起来十分简单 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庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件 应该从哪些方面选择合成氨的反应条件 讨论1 假如你是一个工厂的厂长 对工业生产你主要考虑哪些问题 经济效益和社会效益 增大化学反应速率 单位时间内产率高 增大化学反应限度 原料的利用率高 另外还要考虑生产中的消耗能源 原料来源 设备条件 环境保护等因素 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合成氨反应的平衡常数K 4 1 106 mol L 1 2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 H T S 92 2kJ mol 1 298K 198 2 10 3kJ k 1 mol 1 因为 H T S 0 298K下合成氨反应能自发进行 思考与交流 合成氨反应有哪些特点 可逆反应 正反应气体体积缩小 正反应是放热反应 熵减小的反应 S 0 N2 g 3H2 g 2NH3 g H 92 2kJ mol 1体积 3体积 2体积 一 合成氨反应的限度 交流 研讨 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 1 11 21 31 41 51 6 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 NH3 N2 H2 交流 研讨 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 达到平衡时平衡混合物中NH3的含量 体积分数 V N2 V H2 1 3 3 催化剂对合成氨反应速率的影响 二 合成氨反应的速率 交流 研讨 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 kC N2 C1 5 H2 C 1 NH3 请你根据关系式分析 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 1 升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂2 增大N2 H2浓度 将氨及时从混合气中分离出去3 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍 二 合成氨反应的速率 根据合成氨反应的特点应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率 请填写下表 高压 高压 高温 低温 使用 无影响 增大反应物浓度 增大反应物浓度 减小生成物浓度 减小生成物浓度 结合外界条件对合成氨反应的平衡和速率的影响 请小组探究 工业中合氨的适宜条件 交流 研讨 1 压强怎么选 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 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 结论 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 2 温度怎么选择 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 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 催化剂要在一定温度下催化活性最大 3 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 结论 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 适宜温度 500 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 2 107 5 107Pa 催化剂活性大 研讨结果 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 制氮气 造气 净化 合成氨 制氢气 合成氨的压缩机 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 2 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 低温高压 D 3 合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应制得 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 升高温度C 增大水蒸气浓度D 增大CO浓度 C 4 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 平衡向左移动C 平衡时 SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的两倍D 平衡时 SO