化学反应条件的优化——工业合成氨

第 4 节 化学反应条件的优化 工业合成氨 学习目标 1 会从化学反应速率和化学平衡原理两个方面综合分析合成氨的适宜条件 2 会根据图表从温度 压强 催化剂等方面从化学反应速率和化学平衡原理两 个方面分析不同反应的适宜条件 一 合成氨反应的限度 交流 研讨 合成氨反应是一个可逆反应 N2 3H2 2NH3 已知 298K 时 H 92 2kJ mol 1 S 198 2J K 1 mol 1 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 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 二 合成氨反应的速率 交流 研讨 1 你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率 2 实验研究表明 在待定条件下 合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度 的关系式为 c N2 c1 5 H2 c 1 NH3 请根据该关系式分析 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 3 请用所给数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响 表 2 4 1 催化剂对合成氨反应速率的影响 条件Ea kJ mol 1 催 无 无催化剂335 使用铁催化剂167 3 4 1012 700K 三 合成氨的适宜条件 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 请将你的建议填入下表 提高反应的平衡转化率提高化学反应的速率 反应特点措施反应特点措施 放热反应活化能高 正方向气体分子 数减小 低温时反应速率低 反应可逆未参与反应的原未参与反应的原 料气应循环使用料气应循环使用 原料气浓度增加能 提高反应速率 氨气浓度增加能降 低反应速率 由上可知 在合成氨生产中 达到高转化率与高反应速率所需要的条件有时 是 从化学平衡的角度分析 在 n N2 n H2 时 平衡转化率最高 但是 在催化剂上的吸附为总反应中 即影响反应速率的关键步骤 实验表明适当提高 的比例 当 n N2 n H2 时更能加快合成氨反应的进行 因此 选择合成氨的条件时 既不能片面地追求 也不能只追求 而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反 应条件 此外还应考虑 等 问题 目前合成氨的条件 催化剂温度 n H2 n N2 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来 选择压强 合成氨的生产流程 合成氨的整个工业生产包括 三大部分 1 造气 造气 原料气中的 氮气 来自于 而 氢气 来 自于含氢的 和 以天然气为原料时 反应可简单表示为 CH4 H2O CO 3H2 CO H2O CO2 H2 2 净化 净化 制取的 N2 H2需净化 除去杂质 防止 再用压缩机压缩至高压 3 合成氨 合成氨 这部分包括终端产品 等 其中其中 NH3的分离的分离 混合气经冷却后 进入氨分离器 只有 在该压强 下 液化得到 而未反应的 经循环压缩机压缩后 再通入合成塔中进行反应 画出合成氨的生产流程图 自己附一张纸画课本 P69 随堂检测 1 下表的实验数据是在不同温度和压强下 平衡混合物中 NH3含量的变化情 况 达到平衡时平衡混合物中 NH3的含量 体积分数 入料 V N2 V H2 1 3 1 比较 200 和 300 时的数据 可判断升高温度 平衡向 方向移动 正反应方向为 反应 2 根据平衡移动原理 合成氨适宜的条件是 A 高温高压 B 高温低压 C 低温高压 D 低温低压 3 计算 500 30MPa 时 N2 的转化率 4 实际工业生产合成氨时 考虑浓度对化学平衡的影响 还采取了一些措施 请写出其中的一个措施 2 下面是合成氨的简要流程示意图 沿 x 路线回去的物质是 A N2和 H2 B 催化剂 C N2 D H2 3 合成氨工业对化学工业和 国防工业具有重要意义 工 业合成氨的原理是 H 0 生产流程如图所示 X 的化学式为 上图中条件选定的主要原因是 选填字母序号 A 升高温度 增大压强均有利于氨的合成 B 铁触媒在该温度时活性大 C 工业生产受动力 材料 设备等条件的限制 改变反应条件 会使平衡发生移动 下图表示随条件改变 氨气的百分含量 的变化趋势 当横坐标为压强时 变化趋势正确的 是 选填字母序号 当横坐标为 温度时 变化趋势正确的是 选填字母序号 4 在硫酸工业中 通过下列反应使 SO2氧化成 SO3 2SO2 g O2 g 2SO3 g H 198kJ mol 1 下表为不同温度和压强下 SO2的转化率 转化率1 1055 1051 1065 1061 107 450 97 598 999 999 699 7 550 85 692 994 997 798 3 1 从理论上分析 为了使二氧化硫尽可能转