合成氨条件的选择(用).ppt

1 合成氨的化学反应方程式 特点 2 分析合成氨的合适条件 3 工业上合成氨的合适条件 4 选择适宜化工生产条件的原则 7 练习 目录 6 小结 5 合成氨工业发展前景 8 哈伯和哈伯法合成氨背景资料 合成氨条件的选择 梅山高级中学韩菊仙 资料 诺贝尔化学奖 1918年颁给了德国化学家哈伯 F Haber 1931年颁给了德国化学家波施 C Bosch 哈伯 F Haber 1868 1934 是他发明了合成氨方法 并投入了生产 是他发明了合成氨廉价的催化剂 使生产效率显著提高 生产成本明显降低 合成氨工业的发展历程 1 用N2 H2为原料合成氨的工业生产 曾是一个很艰巨的课题 1900年 法国化学家勒夏特列认为 N2 H2可以在高压下直接化合成氨 但在用实验验证时发生了爆炸 于是他觉得有危险 放弃了研究 稍后 德国化学家能斯特 通过计算认为合成氨不能实现 使合成氨又惨遭厄运 德国化学家哈伯知难而进 1908年7月在实验室 用N2 H2在600 200个大气压 合成出氨 产率为2 1911 1913年短短两年内产率不仅提高了 而且合成出了1000吨液氨 1918年获得了诺贝尔化学奖 以后 合成氨技术又有了很多改进 使合成氨产量不断提高 我国有合成氨生产企业570多家 其中2004年产量达30万吨以上的有30家 超过50万吨的已有4家 预计今年全国合成氨产量有可能超过4600万吨 比上年增产约380万吨 产量位居世界第一 我国合成氨生产情况怎样 假如你自己就是一个合成氨工厂的厂长 你最关心的是什么 对整个生产过程会有怎样的要求 常温常压下 合成氨的反应进行得非常慢 几乎不能觉察P57 提高单位工作时间内产品的产量以及原料的利用率 提高合成氨的生产效益 问题1 请同学们写出合成氨的化学反应方程式 并分析这个反应有什么特点 特点 a 可逆反应 b 正反应为放热反应 c 正反应是气体体积缩小的反应 正反应为放热反应 问题2 要提高合成氨的生产效益 具体应从哪些方面来考虑 要使氨生成得更快 即提高单位时间里氨的产量 化学反应速率问题 要使氨生成得更多 即提高平衡混合物里氨的含量 化学平衡问题 提高合成氨的生产效益 讨论 针对反应特点 根据外界条件对化学反应速率的影响 说明要使合成氨的化学反应速率增大 应采取哪些措施 应用化学平衡移动原理 说明要提高平衡混合物中氨气的含量 应采取哪些措施 高压 高温 使用催化剂 增大反应物浓度 高压 低温 无影响 增大反应物浓度减小生成物浓度 请同学们对比下表的实验数据 检查自己的理论推断是否正确 分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合成氨的合适条件 结论 从反应速率的角度看 温度越高 压强越大 化学反应越快 使用合适的催化剂 反应加快 单位时间内生成的NH3越多 从化学平衡的角度看 高压 低温 平衡时生成物NH3的含量 体积分数 高 讨论 1 既然增大压强可提高反应速率 又可提高氨的含量 那么在合成氨工业中压强是否越大越好 2 既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动 那么在合成氨工业中温度是否越低越好 3 催化剂对化学平衡没有影响 在合成氨工业中是否需要使用催化剂 一 合成氨的适宜条件 提示 综合考虑化学反应速率和化学平衡移动的原理 再根据工业生产特点和实际需要 选择合成氨的适宜条件 条件 条件 条件 条件 讨论 从表2 3数据表明 即使在500 C和30MPa的条件下 平衡混和物中氨的含量仅达26 4 即转化率仍不够大 为了使平衡向生成氨的方向移动 提高N2 H2的转化率 还可以采取哪些措施 条件 使用催化剂 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 合成氨的适宜条件 选择合适的温度 500 左右 提高反应速率 又是合成氨催化剂的活性温度 选择合适的压强 20MPa 50MPa 有利于氨的合成 该压强下进行生产 对动力 材料 设备等来说正合适 浓度 将氨气液化后及时分离出来 所得原料气 过量N2 H2 循环使用 并及时补充N2 H2 返回讨论9 返回讨论10 合成氨的化学反应原理 合成氨工业的主要流程 合成氨生产示意图 氢氮混和气 水冷器 循环压缩机 合成氨简要流程示意图 液氨 合成塔 氨分离器 讨论 工业上选择适宜化工生产条件要坚持什么原则 选择适宜生产条件原则 1 注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性 还要注意对化学反应速率和化学平衡影响的矛盾性 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 又要注意实践中的可能性 小结 合成氨的适宜条件 压强 20MPa 50MPa 温度 500 C左右 催化剂 铁触媒 浓度 将氨气液化后及时分离出来 所得原料气 过量N2 H2 循环使用 并及时补充N2 H2 合成氨的反应原理 思考题 练习题 背景资料 练习 已知常压下平衡时SO3的体积分数为91 巩固练习 1 对于合成氨的反应来说 使用催化剂和施加高压 下列叙述中正确的是 A 都能提高反应速率 都对化学平衡状态无影响B 都对化学平衡状态有影响 都不影响达到平衡状态所用的时间C 都能缩短达到平衡状态的时间 只有压强对化学平衡状态有影响D催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间 而压强无此作用 C 返回小结 2 在一密闭容器中 N2 H2合成氨的反应已达到平衡 此时再往容器中通入一定量N2 保持温度和容器体积不变 当反应再次达到平衡时 与第一次平衡状态相比 的百分含量增大 的浓度增大 的转化率提高 的转化率提高 3 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500 左右的高温 D 采用20MPa 50MPa的压强 BC 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 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20MPa 50MPa 是因该条件下催化剂的活性最好 B 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 背景资料 哈伯和哈伯法合成氨 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 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 返回前景 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 1795年有人试图在常压下进行氨合成 后来又有人在50个大气压下试验 结果都失败了 19世纪下半叶 物理化学的巨大进展 使人们认识到由氮 氢合成氨的反应是可逆的 增加压力将使反应推向生成氨的方向 提高温度会将反应移向相反的方向 然而温度过低又使反应速度过小 催化剂对反应将产生重要影响 这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导 当时物理化学的权威 德国的能斯特就明确指出 氮和氢在高压条件下是能够合成氨的 并提供了一些实验数据 法国化学家勒夏特里第一个试图进行高压合成氨的实验 但是由于氮氢混和气中混进了氧气 引起了爆炸 使他放弃了这一危险的实验 在物理化学研究领域有很好基础的哈伯决心攻克这一令人生畏的难题 返回前景 哈伯首先进行一系列实验 探索合成氨的最佳物理化学条件 在实验中他所取得的某些数据与能斯特的有所不同 他并不盲从权威 而是依靠实验来检验 终于证实了能斯特的计算是错误的 在一位来自英国的学生洛森诺的协助下 哈伯成功地设计出一套适合于高压实验的装置和合成氨的工艺流程 这流程是 在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽 可以获得几乎等体积的一氧化碳和氢气的混和气体 其中的一氧化碳在催化剂的作用下 进一步与水蒸汽反应 得到二氧化碳和氢气 然后将混和气体在一定压力下溶于水 二氧化碳被吸收 就制得了较纯净的氢气 同样将水蒸汽与适量的空气混和通过红热的炭 空气中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉 从而得到了所需要的氮气 返回前景 氮气和氢气的混和气体在高温高压的条件下及催化剂的作用下合成氨 但什么样的高温和高压条件为最佳 以什么样的催化剂为最好 这还必须花大力气进行探索 以楔而不舍的精神 经过不断的实验和计算 哈伯终于在1909年取得了鼓舞人心的成果 这就是在600 的高温 200个大气压和锇为催化剂的条件下 能得到产率约为8 的合成氨 8 的转化率不算高 当然会影响生产的经济效益 哈怕知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高的转化率 在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化率几乎接近于100 怎么办 哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工 并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来 则这个工艺过程是可行的 于是他成功地设计了原料气的循环工艺 这就是合成氨的哈伯法 返回小结 返回前景 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 8 对于反应 2