化学反应条件的优化——工业合成氨

1、 第第2 2章章 第四节第四节 化学反应条件的优化化学反应条件的优化 工业合成氨工业合成氨 高中化学选修高中化学选修化学反应原理化学反应原理回顾一段历史回顾一段历史 勒夏特列勒夏特列能斯特能斯特氨氨(NH3)理论计算：理论计算：高压条件下：高压条件下：N2+3H22NH3爆炸1900年德国物理学家、化学家能斯特德国物理学家、化学家能斯特 理论计算：合成理论计算：合成氨是不能进行氨是不能进行的！的！热力学数据热力学数据德国化学家能斯特通过理论计算，认为合成氨是不能进行的。因此人工合成氨的研究又惨遭厄运。后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。德国皇帝德国皇帝快找哈伯快找哈伯

2、来！来！我要成为我要成为百万富翁百万富翁啦！啦！啦！啦！1908年年7月，哈月，哈伯在实验室用伯在实验室用N2和和H2在在600，200个大个大气压下合成出氨，产气压下合成出氨，产率仅有率仅有2%2%德国化学家弗里茨哈伯Fritz Haber 赞扬哈伯的人说：他是天使，为人类带来丰收和喜悦，是用空气制造面包的圣人；诅咒他的人说：他是魔鬼，给人类带来灾难、痛苦和死亡，针锋相对、截然不同的评价，同指一人而言，令人愕然；哈伯的功过是非究竟如何，且看这位化学家一生所走的辉煌而又坎坷的道路。 第一次世界大战中，哈伯担任化学兵工厂厂长时负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，造成近百万人伤亡。

3、 化学战 1911年到年到1913年，合年，合成了成了1000吨吨液氨，并且液氨，并且用它制造出用它制造出3500吨烈性吨烈性炸药炸药TNT讨论讨论1：假如你是一个工厂的厂长，假如你是一个工厂的厂长， 对工业生产你主要应考虑哪些问题？对工业生产你主要应考虑哪些问题？经济效益和社会效益：经济效益和社会效益： 增大化学反应速率增大化学反应速率单位时间内产率高单位时间内产率高增大化学反应限度增大化学反应限度原料的利用率高原料的利用率高另外还要考虑生产中的另外还要考虑生产中的消耗能源、原料消耗能源、原料来源、设备条件、环境保护来源、设备条件、环境保护等因素。等因素。提提高高综综合合经经济济效效益益单位

4、时间里提高合成氨的产量单位时间里提高合成氨的产量（从化学反应的速率考虑）从化学反应的速率考虑）提高平衡混合物中氨的含量提高平衡混合物中氨的含量（从化学平衡的移动考虑）从化学平衡的移动考虑）从生产成本、动力、材料、设备从生产成本、动力、材料、设备等对上述理论探讨进一步论证，等对上述理论探讨进一步论证，以得出合理的结论。以得出合理的结论。一 、合成氨反应的限度1、请根据正反应的焓变和熵变，请根据正反应的焓变和熵变，分析分析K K下合成氨反应能否自发进行下合成氨反应能否自发进行？、请利用化学平衡移动的知识分析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什么条件有利于氨的合成？讨论讨论2：请同学

5、们写出合成氨的请同学们写出合成氨的化学反应方程式，并讨论说明这化学反应方程式，并讨论说明这个反应方程式有什么特点？个反应方程式有什么特点？特点：特点：a、可逆反应、可逆反应b、正反应放热、正反应放热c、正反应是气体体积减小的反应、正反应是气体体积减小的反应N2+3H2 2NH3 （正反应放热）（正反应放热）达到平衡时平衡混合物中达到平衡时平衡混合物中NHNH3 3的含量的含量（体积分数）（体积分数） V(N V(N2 2):V(H):V(H2 2)=1:3 )=1:3 压强压强/ /MPaMPaNHNH3 3含含 量量/%/%温度温度/ /温度升高，氨的含量降低温度升高，氨的含量降低压强增大，

6、氨的含量增大压强增大，氨的含量增大氢氮比氢氮比二、合成氨反应的速率1、结合影响反应速率的因素， 思考什么条件 能使氨生成得快？升高温度增大压强增大反应物浓度使用催化剂 讨论：讨论：请同学们根据合成氨请同学们根据合成氨的特点，从的特点，从化学反应速率化学反应速率和和化学化学平衡平衡两个角度来两个角度来综合分析综合分析，合成，合成氨应采取什么反应条件？氨应采取什么反应条件？高压高压高压高压高温高温低温低温 使用使用不影响不影响高压高压高压高压高温高温低温低温 使用使用不影响不影响一致矛盾 既然增大压强既可提高反应速率，又可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提高氨

7、的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？是否越大越好？ 既然降低温度有利于平衡向生成氨的方既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？向移动，那么生产中是否温度越低越好？ 在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？要使用呢？ 压强怎么选？压强怎么选？ 分析：分析： 合成氨反应是体积缩小的气体反应，合成氨反应是体积缩小的气体反应，增增大大压强既可以压强既可以增大增大反应速率，又能使反应速率，又能使平衡正向平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。移动，所以理论

8、上压强越大越好。 但是压强越大，对但是压强越大，对设备设备的要求高、压缩的要求高、压缩H H2 2和和N N2 2所需要的所需要的动力动力大，因此选择压强应符合大，因此选择压强应符合实际科学技术。实际科学技术。 综合以上两点，实际生产中压强一般综合以上两点，实际生产中压强一般选择在选择在200200500500大气压大气压之间。之间。 温度怎么选择？温度怎么选择？ 分析：分析： 因为正反应方向是放热的反应，所以因为正反应方向是放热的反应，所以降低降低温温 度有利于平衡度有利于平衡正向正向移动。移动。 可是温度越低，反应可是温度越低，反应速率越小速率越小，达到平衡所，达到平衡所 需要的时间越需要

9、的时间越长长，因此温度也不宜太低。，因此温度也不宜太低。 催化剂催化剂要在一定温度下催化要在一定温度下催化活性活性最大。最大。 综合以上因素，实际生产中温度一般选择综合以上因素，实际生产中温度一般选择在在700K700K左右左右（主要考虑催化剂的活性）（主要考虑催化剂的活性）。铁触媒催化能力铁触媒催化能力 用不用催化剂？用不用催化剂？催化剂对合成氨反应速率的影响 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。 用不用催化剂？用不用催化剂？ 实际生产中选用实际生产中选用铁铁为主体的多成分催化剂为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在（铁触媒），它在500500时活性最高。时活性最高。 分析分析: 经济

10、效益经济效益和和社会效益社会效益要求化学反应速度要要求化学反应速度要快快，原料的利用率要原料的利用率要高高，单位时间的产量要，单位时间的产量要高高。压强/MPaNH3含 量/%温度/即使在即使在500500和和30MPa30MPa时，合成氨平衡混时，合成氨平衡混合物中合物中NHNH3 3的体积分数也只有的体积分数也只有26.4%26.4%，转，转化率仍不够大，还可采取什么办法？化率仍不够大，还可采取什么办法？实验表明，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=C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)N2+3H2 2NH3 （正反应放热）（正反应放热）分析分析：保持一定的保持一

11、定的N2、H2浓度，减少氨气浓度，减少氨气的浓度，可以提高合成氨的效率和产量。的浓度，可以提高合成氨的效率和产量。实际生产中的处理方法：实际生产中的处理方法：及时将气态及时将气态氨冷却液化而分离出去；及时补充氮气氨冷却液化而分离出去；及时补充氮气和氢气，使其保持一定的浓度和氢气，使其保持一定的浓度。即使在即使在500500和和30MPa30MPa时，合成氨平衡混时，合成氨平衡混合物中合物中NHNH3 3的体积分数也只有的体积分数也只有26.4%26.4%，转，转化率仍不够大，还可采取什么办法？化率仍不够大，还可采取什么办法？ 还可以在哪些方面做进一步的改进？还可以在哪些方面做进一步的改进？ 增

12、大反应物的浓度可以增大反应速率，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化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为的量比为1 1：3 3时，平衡转化率最大，时，平衡转化率最大，但是实但是实验测得验测得适当提高适当提高N N2 2的浓度，即的浓度，即N N2 2和和H H2 2的分压的分压比为比为1 1：2.82.8时，更能促进氨的合成。时，更能促进氨的合成。 既不能片面地追求高转化率，既不能片面地追求高转化率， 也不能只追求高反应速率，而应该也不能只追求高反应速率，而应该 研讨的结果

13、高压高压200500大气压大气压适宜温度适宜温度700K左右左右使用铁触媒作催化剂使用铁触媒作催化剂液化氨并及时分离、补氮氢原液化氨并及时分离、补氮氢原料气循环料气循环 n(N2):n(H2)=1:2.8 小小 结结1、合成氨的工业条件的选择、合成氨的工业条件的选择反应速率和化学平衡共同作用的结果反应速率和化学平衡共同作用的结果2、选择合成氨的条件时，既不能片面地、选择合成氨的条件时，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速追求高转化率，也不能只追求高反应速率，而应该率，而应该 小结：合成氨选择适宜生产条件的原则小结：合成氨选择适宜生产条件的原则1.1.既要注意外界条件对反应影响的既要注

14、意外界条件对反应影响的一致性一致性， 又要注意外界条件对反应影响的又要注意外界条件对反应影响的矛盾性矛盾性。2.2.既要注意既要注意温度、催化剂温度、催化剂对速率影响的一致对速率影响的一致 性；又要注意催化剂的活性对温度的限制。性；又要注意催化剂的活性对温度的限制。3.3.既要注意注意既要注意注意理论理论上的需要，又要注意上的需要，又要注意 实际操作实际操作的可能性。的可能性。 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产产品： 一般要一般要使用催化剂使用催化剂：这样可以大大加：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；了经济效

15、益； 选择选择合适的温度合适的温度：该温度是催化剂活：该温度是催化剂活性最大的温度；性最大的温度； 选择选择合适的压强合适的压强：既要考虑化学反应：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。设备等。【小结小结反思反思】课课堂堂反反思思 1 1、知识收获：、知识收获： 2 2、方法收获：、方法收获： 3 3、我的疑惑：、我的疑惑： 设想合成氨的发展前景设想合成氨的发展前景 豆科植物根部长有根瘤，根瘤菌中存在固豆科植物根部长有根瘤，根瘤菌中存在固氮酶，所以豆科植物在常温常压下才能将空气氮酶，所以豆科植物在常温常压下才能将空气中的氮气转化为氨。中

16、的氮气转化为氨。 固氮酶很怕氧，所以整个研究过程中必须固氮酶很怕氧，所以整个研究过程中必须严格无氧，这无疑给研究增加了难度。所以时严格无氧，这无疑给研究增加了难度。所以时至今日，固氮酶的固氮机理之谜还没解开。至今日，固氮酶的固氮机理之谜还没解开。 如果小麦、水稻也能自行固氮，那如果小麦、水稻也能自行固氮，那将给人类带来哪些方面的好处？将给人类带来哪些方面的好处？ 可以减少农田施用氮肥的费用，降低可以减少农田施用氮肥的费用，降低粮食的生产成本；粮食的生产成本； 可以减少氮肥的生产，既有利于节省可以减少氮肥的生产，既有利于节省能源，又有利于避免出现因过量施用氮能源，又有利于避免出现因过量施用氮肥而

17、造成的水体富营养化。肥而造成的水体富营养化。 合成氨厂的实地照片合成氨厂的实地照片回答下列问题：回答下列问题：1、合成氨生产时，为什么不采用尽可能高的、合成氨生产时，为什么不采用尽可能高的压强？通常采用压强？通常采用21075 107Pa 的压强？的压强？2、实际生产中，为什么温度不能太高而采用、实际生产中，为什么温度不能太高而采用适当高温（适当高温（ 500 ）？）？3、在高温高压下，为什么还要使用催化剂？、在高温高压下，为什么还要使用催化剂？4、你认为合成氨中，氮气和氢气的体积比为、你认为合成氨中，氮气和氢气的体积比为多少最佳，为什么？多少最佳，为什么？合成氨生产示意图合成氨生产示意图2.

18、合成氨工业流程合成氨工业流程阅读教材，回答下列问题：阅读教材，回答下列问题：1、用图式表示合成氨的流程？、用图式表示合成氨的流程？2、如何制得原料气？、如何制得原料气？3、为什么要对原料气净化？如何净化？、为什么要对原料气净化？如何净化？原料气原料气的制取的制取净净化化压压缩缩合合成成分分离离液氨液氨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合成塔氨分离器氨分离器合成氨的工业流程合成氨的工业流程1、压缩机、合成塔、压缩机、合成塔2、热交换过程、热交换过程3、氨的分离、氨的分离4、循环操作过程、循环操作过程5、流程演示、流程演示氨的合成塔剖面氨的合成塔剖面图图 解放前我国只有两家规

19、模不大的解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。了迅速发展。19491949年全国氮肥产年全国氮肥产量仅量仅0.60.6万吨，而万吨，而19821982年达到年达到1021.91021.9万吨，成为世界上产量最万吨，成为世界上产量最高的国家之一。高的国家之一。 改革开放以来，我国引进了一批年产改革开放以来，我国引进了一批年产3030万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国万吨氮肥的大型化肥厂设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产是年产3030万吨氮肥的大型化肥厂。这万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、

20、石油、炼油气等些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。技术和设备都很先进。 解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。上海吴泾化工厂是年产30万吨氮肥的大型化肥厂南京化工企业的大型氮肥厂C C1.1.有如下平衡体系：有如下平衡体系： CO（g）+2H2（g） CH3OH(g)（正反应为放热反应），为了增加甲醇的（正反应为放热反应），为了增加甲醇的产量，应采取的正确措施是（产量，应采取的正确措

21、施是（ ） A.A.高温、高压高温、高压 B.B.低温、低压低温、低压 C.C.适宜的温度、高压、催化剂适宜的温度、高压、催化剂 D.D.高温、高压、催化剂高温、高压、催化剂2.2.下列事实中不能用勒夏特列原理来解释下列事实中不能用勒夏特列原理来解释的是（的是（ ）A.A.工业制硫酸的过程中通入足量的空气工业制硫酸的过程中通入足量的空气, ,可以提高可以提高SOSO2 2的产率的产率B.B.加入催化剂有利于合成氨反应加入催化剂有利于合成氨反应C.C.高压有利于合成氨反应高压有利于合成氨反应D.500D.500左右比室温更有利于合成氨反应左右比室温更有利于合成氨反应BD5、在密闭容器中进行合成氨

22、反应，、在密闭容器中进行合成氨反应，N N2 2 + 3H+ 3H2 2 2 2 NHNH3 3 达平衡后，当其他条件不变时，将平衡体系中各达平衡后，当其他条件不变时，将平衡体系中各物质的浓度都增加到原来的物质的浓度都增加到原来的2 2倍，下列说法错误的是倍，下列说法错误的是（ ）A A、平衡向正反应方向移动、平衡向正反应方向移动B B、达新平衡时，、达新平衡时，c(Nc(N2 2) )与原平衡相比较大与原平衡相比较大C C、达新平衡时正、逆反应速率均比原平衡大、达新平衡时正、逆反应速率均比原平衡大D D、达新平衡时，混合气体的密度变小、达新平衡时，混合气体的密度变小6、某温度下，下列反应：、

23、某温度下，下列反应：S S2 2ClCl2 2(l)+Cl(l)+Cl2 2(g) 2 SCl(g) 2 SCl2 2(l)(l)(正反应放热正反应放热) )（橙黄色）（橙黄色） （鲜红色）（鲜红色）在密闭容器中达到平衡（气、液共存），下列说法错在密闭容器中达到平衡（气、液共存），下列说法错误的是（误的是（ ）A A、温度不变，增大容器的体积，、温度不变，增大容器的体积，S S2 2ClCl2 2的转化率降低的转化率降低B B、温度不变，缩小容器的体积，液体的颜色加深、温度不变，缩小容器的体积，液体的颜色加深C C、压强不变，升高温度，液体的颜色变浅、压强不变，升高温度，液体的颜色变浅D D、

24、体积不变，降低温度，氯气的转化率降低、体积不变，降低温度，氯气的转化率降低7、在密闭容器中进行合成氨反应，、在密闭容器中进行合成氨反应，N N2 2 + 3H+ 3H2 2 2 2 NHNH3 3 达平衡后，若保持温度不变，缩小容器容积，达达平衡后，若保持温度不变，缩小容器容积，达到新的平衡时，下列叙述中正确的是（到新的平衡时，下列叙述中正确的是（ ）NH3的浓度增大，的浓度增大，N2、H2的浓度减小的浓度减小NH3的的物质的量增大，物质的量增大，N2、H2的浓度减小的浓度减小H2的转化的转化率增大，率增大，N2的转化率不变的转化率不变混合气体的浓度增混合气体的浓度增大大A A、 B B、 C

25、 C、D D、 8、下列说法正确的是（、下列说法正确的是（ ）A A、在高温下，将氯化铵晶体加入处于平衡状态的合成、在高温下，将氯化铵晶体加入处于平衡状态的合成氨反应时，平衡不发生移动氨反应时，平衡不发生移动B B、在密闭容器中，当、在密闭容器中，当CaCOCaCO3 3 CaO + CO CaO + CO2 2处于平衡处于平衡状态时，再加入状态时，再加入NaNa2 2O O2 2固体，固体，CaCOCaCO3 3的量会减少。的量会减少。C C、有固体参加的可逆反应达平衡后，若改变压强，不、有固体参加的可逆反应达平衡后，若改变压强，不会影响平衡的移动会影响平衡的移动D D、在合成氨反应中，使用催化剂能提高反应速率，使、在合成氨反应中，使用催化剂能提高反应速率，使氨的质量分数增加，从而增加氨的产量氨的质量分数增加，从而增加氨的产量、氨的合成反应，生产中采用的适宜条件是（ ）。A、低温、高压、适当的催化剂B、高温、常压C、尽可能高温、高压D、适当的温度、适当的高压、适宜催化剂合成氨工业有下列流程：合成氨工业有下列流程：原料气制备；原料气制备；氨的合成；氨的合成；原料气净化和压缩；原料气净化和压缩；氨的分离。氨的分离。其先后顺序为其先后顺序为( )A