4、化学反应条件的优化——工业合成氨

1、渭南中学渭南中学 高二化学组高二化学组 雷金娣雷金娣 化学反应原理第二章第四节化学反应原理第二章第四节弗里茨弗里茨哈伯与合成氨哈伯与合成氨 合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约历了约150150年的时间。德国科学家哈伯在年的时间。德国科学家哈伯在1010年的时年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，催化剂，2 2年间他们就进行了多达年间他们就进行了多达65006500次试验，测次试验，测试了试了25002500种不同的配方，最后选定了一种合适的种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂催化剂-

2、铁，使合成氨的设想在铁，使合成氨的设想在19131913年成为工业年成为工业现实。满足了现实。满足了2020世纪人口由世纪人口由3030亿增至亿增至6060亿对粮食亿对粮食的需求，因此，人们赞扬哈伯是的需求，因此，人们赞扬哈伯是“用空气制造面用空气制造面包的圣人包的圣人”。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于科学院于19181918年向哈伯颁发了年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。将空气变为面包将空气变为面包学习目标：学习目标：1 1. .运用化学平衡移动原理和化学反应速率知识分析运用化学平衡移动原理和化学反应速率知识分析合成氨的条件。合成氨的条件。2

3、2. .了解了解应用化学原理选择化工生产条件的思想和方应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法，体验实际生产条件与理论分析的差异。法，体验实际生产条件与理论分析的差异。3 3. .了解合成氨生产的主要流程。了解合成氨生产的主要流程。复习复习影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些? 化学反应速率化学反应速率 化学平衡化学平衡 温度温度气体压强气体压强催化剂催化剂浓度浓度温度越高温度越高,反应速率越大反应速率越大压强越大压强越大,反应速率越大反应速率越大正催化剂加快反应速率正催化剂加快反应速率反应物浓度越大反应物浓度越大,反应速反应速率越大率越大升高温

4、度升高温度,平衡向吸热方向移动平衡向吸热方向移动增大压强增大压强,平衡向气态物平衡向气态物质系数减小的方向移动质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响催化剂对平衡无影响增大反应物浓度增大反应物浓度,平衡正向移动平衡正向移动【交流交流研讨研讨】合成氨反应是一个可逆反应合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)已知已知298K时时: H= -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1课本课本P65 P65 合成氨反应有哪些特点：合成氨反应有哪些特点：可逆反应可逆反应正反应是放热反应正反应是放热反应正反应正反应气态物质系数减小气态物质系数减小熵减小的反应熵

5、减小的反应一、合成氨反应的方向一、合成氨反应的方向请根据正反应的焓变和熵变分析请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应下合成氨反应能否自发进行？能否自发进行？分析：分析：HTS = 33.14 kJmol10 常温下，可以自发常温下，可以自发 。 请利用化学平衡移动的知识分析什么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条件有利于氨的合成二、合成氨反应的限度二、合成氨反应的限度 温度、温度、 压压强有利于化学平衡向生成氨的强有利于化学平衡向生成氨的方向移动方向移动，N N2 2、H H2 2体积体积比为比为_时平衡混合物中氨时平衡混合物中氨的含量最高的含量最高。降低降低增增大大

6、1：3三、合成氨反应的速率三、合成氨反应的速率1 1、你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合、你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的成氨反应的速率速率？ 升高温升高温度度 增大压增大压强强 增大反应物浓度增大反应物浓度 使用催化剂使用催化剂【交流交流研讨研讨】课本课本P66P66 2、实验实验研究表明研究表明，在特定条件下，合成氨反在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为应的速率与反应的物质的浓度的关系为: : =C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的请你根据关系式分析：各物质的浓度浓度对对反反应应速率速率有有哪些影响？可以采取哪些措施

7、来提高反应哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率速率？ 增大增大N2、 H2浓度浓度, ,将氨及时从将氨及时从 混合气中分离出去混合气中分离出去3 3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨反应速率的影响：反应速率的影响：催化剂对合成氨反应催化剂对合成氨反应速率速率的影响的影响条件条件 E /KJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)使用使用Fe催化剂催化剂167 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍上万亿倍。生成生成物氨的浓度物氨的浓度反应物的浓度反应物的浓度催化剂催

8、化剂温度温度压强压强平衡分析平衡分析使使NH3生产得多生产得多外界条件外界条件高压高压低温低温无影响无影响增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度速率分析速率分析使使NH3生产得快生产得快高压高压高温高温加催化剂加催化剂增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度不一致不一致（1 1）既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业）既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强选择是否越大越好？原因是什么中压强选择是否越大越好？原因是什么? ?（2 2）既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，但是生成氨的速率会降低，）既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，但是生成氨

9、的速率会降低，那么温度我们应该如何选择？那么温度我们应该如何选择？（3 3）既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中是否使用催化剂？）既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中是否使用催化剂？（4 4）由于氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即影响反应速率）由于氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即影响反应速率的关键步骤。为了保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸附速率，的关键步骤。为了保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸附速率，应适当提高氮的分压应适当提高氮的分压p(N2)p(N2)，在工业合成氨中我们应该如何调整，在工业合成氨中我们应该如

10、何调整N2N2和和H2H2的体积比？的体积比？（5 5）即使在）即使在700K700K和和30MPa30MPa时，合成氨平衡混合物中时，合成氨平衡混合物中NH3NH3的体积分数也只有的体积分数也只有26.4%26.4%，转化率仍不够大，那么剩余的转化率仍不够大，那么剩余的N2N2和和H2H2该如何处理呢？该如何处理呢？课本课本P68P68 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在压强。实际生产中压强一般选择在200200500500大气压之间。大气压之间。（1 1）既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，）既然增

11、大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强选择是否越大越好？原因是什么那么在合成氨工业中压强选择是否越大越好？原因是什么? ?催化剂铁触媒催化能力与温度的关系催化剂铁触媒催化能力与温度的关系实际生产中温度一般选择在实际生产中温度一般选择在700K左右左右（主要考虑催化剂的活性）（主要考虑催化剂的活性） （2 2）既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，）既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，但是生成氨的速率会降低，那么温度我们应该如何选择？但是生成氨的速率会降低，那么温度我们应该如何选择？（3 3）既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中）既然催化剂对化学

12、平衡的移动没有影响，在合成氨工业中 是否使用催化剂？是否使用催化剂？催化剂不影响平衡移动，但可以大幅度提高反应速率。催化剂不影响平衡移动，但可以大幅度提高反应速率。使用催化剂。使用催化剂。（4 4）由于氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，）由于氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即影响反应速率的关键步骤。为了保证氮气占有一定份额的催即影响反应速率的关键步骤。为了保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸附速率，应适当提高氮的分压化剂活性中心并提高吸附速率，应适当提高氮的分压p(Np(N2 2) )，在，在工业合成氨中我们应该如何调整工业合成氨中我们应该如何调整N N2 2

13、和和H H2 2的体积比？的体积比？ 实际生产中的处理方法：实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分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，使其保持一定离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。即的浓度。即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8 0.10.1101020203030606010010040040015.315.381.581.586.486.489.989.995.495.4 98.898.85005002.22.252.052.064.264.271.071.084.284.2 92.692.6600600

14、0.40.425.125.138.238.247.047.065.265.2 79.879.87007000.10.110.610.619.119.126.426.442.242.2 57.557.58008000.050.054.54.59.19.113.813.823.123.1 31.431.4压强压强/ /MPaMPaNHNH3 3含含 量量/%/%温度温度/ /K（5）即使在）即使在700K和和30MPa时，合成氨平衡混合物中时，合成氨平衡混合物中NH3的的体积分数也只有体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大，那么剩余的，转化率仍不够大，那么剩余的N2和和H2该如何处理呢？该如何处

15、理呢？未参与反应的原料气应循环使用，提高原料利用率。未参与反应的原料气应循环使用，提高原料利用率。外部条件外部条件工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件压强压强温度温度催化剂催化剂浓度浓度研讨的结果根据反应器可使用的钢材质量及综合根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强指标来选择压强(20MPa-50MPa) 适宜温度适宜温度 700K左右左右(考虑催化剂活性最大考虑催化剂活性最大)使用铁触媒作催化剂使用铁触媒作催化剂N2和和H2的物质的量比为的物质的量比为1：2.8的投料的投料比比, 氨及时从混合气中分离出去氨及时从混合气中分离出去防催化防催化剂中毒剂中毒净化净化压缩压缩合成合成分离

16、分离H2 : N2造气造气液氨液氨N2和和H2循环利用循环利用合成氨工业简要生产流程示意图合成氨工业简要生产流程示意图一般要一般要使用催化剂使用催化剂：这样可以大大加快化学反应：这样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；速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 选择选择合适的温度合适的温度：该温度是催化剂活性最大：该温度是催化剂活性最大的温度；的温度； 选择选择合适的压强合适的压强：既要考虑化学反应速率和：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。 【小结小结反思反思】工业上利用某可逆反应生产产品：工业上利用某可逆反应生

17、产产品：解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；19491949年全国氮肥产量仅年全国氮肥产量仅0.60.6万吨；万吨；20002000年达到年达到3363.73363.7万吨，成为世界上产量最高万吨，成为世界上产量最高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中中、小合成氨厂小合成氨厂10001000多家多家. .1.能使合成氨反应进行程度增大的方法是（能使合成氨反应进行程度增大的方法是（ ）A、升高温度、升高温度 B 、降低压强、降低压强C、使用催化剂、使用催化剂 D 、及时分离出氨气、及时分离出氨气D【当堂检测当堂检测】2在合成氨工业中，为增加在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（列变化过程不能使平衡向右移动的是（ ）A. 不断将不断将NH3分离出来分离出来B. 使用催化剂使用催化剂C. 采用采用700K左右的高温左右的高温D. 采用采用21075107Pa的压强的压强BC3、已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) H0其实验数据见表(1) 应选用的温度是_。(2)应采用的压强