化学反应条件的优化工业合成氨精

1、化学反应条件的优-工业合成氨复习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,反应速率越大压强越大,反应速率越大正催化剂加快反应速率反应物浓度越大,反应速率越大升高温度,平衡向吸热方向移动增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响增大反应物浓度,平衡正向移动 弗里茨哈伯：弗里茨哈伯与合成氨 合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不

2、同的配方，最后选定了一种合适的催化剂-铁，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。化学热力学化学动力学化学反应的方向化学反应的限度化学反应的速率合成氨反应能否自发进行？怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？怎样能提高合成氨反应速率？适宜的合成氨条件工艺流程化学工艺学高压对设备材质、加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等【交流研讨】合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)已知298K时: H= -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析298K下

3、合成氨反应能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数K为.（molL-1)-2书P65 合成氨反应的特点：可逆反应正反应气态物质系数减小正反应是放热反应熵减小的反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol(1体积) (3体积) (2体积) S = -198.2JK-1mol-1一、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书P65 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2_温度、_压强有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H2体积比为_时平衡混合物中氨的含量最高。

4、增大降低1：3二、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: =C(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？书P66 3、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：催化剂对合成氨反应速率的影响条件条件 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1671.升高温度2.增大压强3.增大反应物浓度4.使用催化剂5.增

5、大N2H2浓度,将氨及时从混合气中分离出去使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。生成物氨的浓度反应物的浓度催化剂温度压强速率分析使NH3生产得快外界条件高压高温使用增大浓度减小浓度平衡分析使NH3生产得多高压低温无影响增大浓度减小浓度 研讨的内容研讨的内容研讨的问题研讨的问题 1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？压强怎么定？2、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？3 、催化剂对化学平衡的移动没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？温度怎么选择？要不要用催化剂？ 1、压强怎么选？ 分析： 合成

6、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。 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。实际生产中压强一般选择在200500大气压之间。 2、温度怎么选择？ 分析： 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。 综合以上因素:实际生产中温度一般选择在700K左右（主要考虑催化剂的活性）。 3、

7、用不用催化剂？ 实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在700K时活性最高。 分析: 经济效益和社会效益要求化学反应速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。 4、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。 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。即N2和H2的物质的量比为1：2.8（阅

8、读书本67页）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指标来选择压强 适宜温度 700K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【总结】工业上利用某可逆反应生产产品： 一般要使用催化剂：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； 选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度； 选择合适的压强：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。 【小结反思】第二课时二、合成氨工业简述：1、主要流程：原料气制取 净化 压缩

9、合成 分离 液氨2、原料气制取：空气压缩碳液态空气 N2(先逸出) 物理方法蒸发CO2(+N2) N2 化学方法 分离出CO2制氮气:（造气）（净化）（合成氨）制氢气:天然气 CO+H2 CO2+H2 H2 H2O(气)分离出CO2 CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)H2O(气) 解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂； 1949年全国氮肥产量仅0.6万吨； 2000年达到3363.7万吨，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、中、小合成氨厂1000多家.例题 ：能使合成氨反应进行程度增大的方法是（ ）A、升

10、高温度 B 、降低压强C、使用催化剂 D 、及时分离出氨气D1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700K左右的高温（D）采用21075107Pa的压强练一练：BC2、合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应而制得，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、降低温度 C、增大水蒸气浓度 D、增大CO浓度BC3、在合成氨反应中，入口气体体积比 N2:H2:NH3 为6:18:1，出口气体体积比为9:27:8，则H

11、2的转化率为_。25% N2+3H2 2NH3起始 6 18 1变化 X 3X 2X6-X : 1+2X=9:8 X=1.5H2转化率= 100%=25%1.53184、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C5、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20 MPa - 50MPa

12、，是因该条件下催化剂的活性最好B6.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D7.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SO3 B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动C.平衡时, SO2消耗速率必定等于O2的生成速率 的两倍D.平衡时, SO2浓度必定等于O2浓度的两倍.BC8.在一定条件下,合成氨反应达到平衡后,混合气体中NH3的体积占25%,若反应前后条件保持不

13、变,则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的之比是( )A B C D51413121A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)应采用的压强是_，理由是_。450常压因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。化学热力学化学动力学化学反应的方向化学反应的限度化学反应的速率合成氨反应能否自发进行？怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动？怎样能提高合成氨反应速率？适宜的合成氨条件工艺流程化学工艺学高压对设备材质、加工制造的要求、温度的催化剂活性的影响等合成氨反应的特点：可逆反应正

14、反应气态物质系数减小正反应是放热反应熵减小的反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol(1体积) (3体积) (2体积) S = -198.2JK-1mol-1合成氨反应的特点：可逆反应正反应气态物质系数减小正反应是放热反应熵减小的反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.2kJ/mol(1体积) (3体积) (2体积) S = -198.2JK-1mol-13、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：催化剂对合成氨反应速率的影响条件条件 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1674、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（ ）(A