第4节化学反应条件的优化——工业合成氨

1、第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨自从德国化学家哈伯研究出合成氨的方法以后，化学工自从德国化学家哈伯研究出合成氨的方法以后，化学工业迅猛发展，为有机合成和炸药生产提供了原料，但合业迅猛发展，为有机合成和炸药生产提供了原料，但合成氨的研究却经历了成氨的研究却经历了100100多年，这是为什么呢？多年，这是为什么呢？【思考】【思考】（1 1）你知道工业合成氨的反应条件吗？）你知道工业合成氨的反应条件吗？（2 2）合成氨条件选择的依据是什么？）合成氨条件选择的依据是什么？1.1.了解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影了解合成氨反应的特点以及外部条件对合成氨反应的影响。响。（重点）（重点

2、）2.2.了解合成氨反应的主要流程，了解工业生产条件选择的了解合成氨反应的主要流程，了解工业生产条件选择的依据和原则。依据和原则。3.3.知道化学反应速率和化学平衡的调控在生产、生活和科知道化学反应速率和化学平衡的调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。学研究领域中的重要作用。 19 19世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到将来的世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到将来的粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家能实现大气固氮能实现大气固氮将空气中丰富的氮固定下来并转化为将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。德国化学家

3、哈伯在可被利用的形式。德国化学家哈伯在19131913年实现了合成氨年实现了合成氨的工业生产，满足了的工业生产，满足了2020世纪人口由世纪人口由3030亿增至亿增至6060亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人用空气制造面包的圣人”。弗里茨弗里茨哈伯哈伯【拓展视野】【拓展视野】利用氮气、氢气为原料合成氨的工业化生产曾是一个利用氮气、氢气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，约经历较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了了150150年的时间。年的时间。 反应反应N N2 2(g)+3H(g)

4、+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g)(g)看起来十分简单，为看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？化学反应的化学反应的方向方向化学反应的化学反应的限度限度化学反应的化学反应的速率速率合成氨反应合成氨反应能否自发进能否自发进行行怎样能使化怎样能使化学平衡向合学平衡向合成氨方向移成氨方向移动动怎样能提怎样能提高合成氨高合成氨反应速

5、率反应速率适宜的合成氨条件适宜的合成氨条件工艺流程工艺流程化学工艺学化学工艺学高压对设备材质、加工高压对设备材质、加工制造的要求、温度对催制造的要求、温度对催化剂活性的影响等化剂活性的影响等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气体体积缩小正反应气体体积缩小正反应是放热反应正反应是放热反应熵减小的反应熵减小的反应S00 N N2 2(g) + 3H(g) + 3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g)(g) H-92.2 kJ/mol-92.2 kJ/mol(1(1体积体积) (3) (3体积体积) (2) (2体积体积) )【思考与交流】【思考与交流】 合

6、成氨反应是一个可逆反应合成氨反应是一个可逆反应: N: N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g)(g)已知已知298 K298 K时时: H=-92.2 kJmol=-92.2 kJmol-1-1 S =-198.2 JK=-198.2 JK-1-1molmol-1-1合成氨反应的平衡常数合成氨反应的平衡常数K=4.1=4.110106 6（molLmolL-1-1) )-2-2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298 K298 K下合成氨反应能否下合成氨反应能否自发进行？自发进行？H-T-TS =-92.2 kJmol=-92.2

7、kJmol-1-1+298 K+298 K198.2198.21010-3 -3 kJkkJk-1-1molmol-1-1因为因为H-T-TS00， 298 K298 K下合成氨反应能自发进行下合成氨反应能自发进行已知增加已知增加N N2 2的量能增大的量能增大H H2 2的转化率，结合方程式判断：工业的转化率，结合方程式判断：工业合成氨时加入氮气的量是越多越好吗？合成氨时加入氮气的量是越多越好吗？N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g) (g) H 92.2 kJ/mol92.2 kJ/mol【提示】【提示】不是。经研究，工业合成氨采用不是。经研究，

8、工业合成氨采用N N2 2H H2 2=1=12.82.8效效果较好。果较好。1 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 6 0.60.60.50.50.40.40.30.30.20.20.10.1NHNH3 3% %N N2 2H H2 231.431.457.557.579.879.892.692.698.898.81 110108 8PaPa23.123.142.242.265.265.284.284.295.495.46 610107 7PaPa9.19.119.119.138.238.264.264.286.486.42 210107 7PaPa4.54.5

9、10.610.625.125.152.052.081.581.51 110107 7PaPa13.813.826.426.447.047.071.071.089.989.93 310107 7PaPa0.050.050.10.10.40.42.22.215.3 15.3 1 110105 5PaPa 400 400 600 600 500 500 300 300 200 200 压压强强氨氨含含量量温温 度度不同条件下平衡混合气中氨的体积分数不同条件下平衡混合气中氨的体积分数思考相同温度时增大压强，反应的程度如何变化？思考相同温度时增大压强，反应的程度如何变化？反应的程度增大。反应的程度增大。

10、【想一想】31.431.457.557.579.879.892.692.698.898.81 110108 8PaPa23.123.142.242.265.265.284.284.295.495.46 610107 7PaPa9.19.119.119.138.238.264.264.286.486.42 210107 7PaPa4.54.510.610.625.125.152.052.081.581.51 110107 7PaPa13.813.826.426.447.047.071.071.089.989.93 310107 7PaPa0.050.050.10.10.40.42.22.215.

11、3 15.3 1 110105 5PaPa 400 400 600 600 500 500 300 300 200 200 压压强强氨氨含含量量温温 度度不同条件下平衡混合气中氨的体积分数不同条件下平衡混合气中氨的体积分数思考相同压强时升高温度，反应的程度如何变化？思考相同压强时升高温度，反应的程度如何变化？反应的程度减小反应的程度减小【想一想】使生产氨气快使生产氨气快（速率分析）（速率分析）使生成氨气多使生成氨气多（平衡分析）（平衡分析） 压强压强 温度温度 催化剂催化剂高压高压高温高温使用使用高压高压低温低温不影响不影响根据外界条件对反应速率和反应限度的影响，根据外界条件对反应速率和反应限

12、度的影响，请为工业合成氨选择合适的条件：请为工业合成氨选择合适的条件：N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g)(g) H -92.2 kJmol-92.2 kJmol-1-1【想一想】思考：温度是否越高越好？思考：温度是否越高越好？ 压强是否越大越好？压强是否越大越好？考虑催化剂的活性考虑催化剂的活性考虑设备的耐压能力考虑设备的耐压能力N N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g) (g) H-92.2 kJmol-92.2 kJmol-1-1【想一想】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

13、温度温度催化剂催化剂浓度浓度 适宜温度（适宜温度（500500左右）左右）使用铁触媒作催化剂使用铁触媒作催化剂N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 12.82.8的投料比的投料比, , 氨氨及时从混合气中分离出去及时从混合气中分离出去2 210107 75 510107 7 PaPa催化剂活性大催化剂活性大【研讨结果】【研讨结果】1.1.一般要使用催化剂：一般要使用催化剂：2.2.选择合适的温度：选择合适的温度：3.3.选择合适的压强：选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要综合考虑设备等。既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要综合考虑设备等。该温度是催化剂活性

14、最大的温度；该温度是催化剂活性最大的温度；加快化学反应速率，提高生产效率，提高经济效益；加快化学反应速率，提高生产效率，提高经济效益；工业上利用某可逆反应生产产品有哪些注意事项？工业上利用某可逆反应生产产品有哪些注意事项？【思考讨论】【思考讨论】( (双选双选) )在合成氨工业中，为增加在合成氨工业中，为增加NHNH3 3的日产量，下列的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（变化过程不能使平衡向右移动的是（ ）A.A.不断将不断将NHNH3 3分离出来分离出来B.B.使用催化剂使用催化剂C.C.采用采用700 K700 K左右的高温左右的高温D.D.采用采用2 210107 75 510

15、107 7 PaPa的压强的压强BCBC【学与用】合成氨工业简述：合成氨工业简述：1.1.主要流程：主要流程：原料气制取原料气制取净化净化 压缩压缩 合成合成分离分离液氨液氨2.2.原料气制取：原料气制取：常用压缩液态空气常用压缩液态空气 N N2 2( (先逸出先逸出) )蒸发蒸发制氮气制氮气: :（造气）（造气） （净化）（净化）（合成氨）（合成氨）制氢气制氢气: :水蒸气水蒸气 CO+HCO+H2 2 CO CO2 2+H+H2 2 H H2 2 炽热炭炽热炭H H2 2O(O(气气) )分离分离出出COCO2 2 合成氨的压缩机合成氨的压缩机 催化剂的催化能力一般称为催化活性。催化剂因

16、接触少量催化剂的催化能力一般称为催化活性。催化剂因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，称为催化剂的中毒。催的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，称为催化剂的中毒。催化剂中毒后，往往会完全失去活性，严重影响生产的正常进行。化剂中毒后，往往会完全失去活性，严重影响生产的正常进行。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，O O2 2、COCO、COCO2 2和水蒸气等和水蒸气等都能使催化剂中毒。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物都能使催化剂中毒。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本。原料加以净化，以除去毒物，这样就要

17、增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。题。催化剂中毒催化剂中毒【拓展视野】【拓展视野】 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年全国氮年全国氮肥产量仅肥产量仅0.60.6万吨；万吨；19821982年达到年达到1 021.91 021.9万吨，成为世界上产量万吨，成为世界上产量最高的国家之一。最高的国家之一。 近几年来，我国引进了一批年产近几年来，我国引进了一批年产3030万吨氮肥的大型化肥厂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

18、工厂也是年产设备。我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产3030万吨万吨氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为氮肥的大型化肥厂。这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进。我国合成氨工业的发展情况：我国合成氨工业的发展情况：工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件:( (速率较快速率较快, ,转化率适中，催化剂活性最大转化率适中，催化剂活性最大) )温度温度: 700 K: 700 K压强压强: 2: 210107 75 510107 7 PaPa（200200500 atm50

19、0 atm）催化剂：铁触媒催化剂：铁触媒( (以铁为主体的多成分催化剂以铁为主体的多成分催化剂) )浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，且向循环气中不断补充且向循环气中不断补充N N2 2、H H2 2（1 12.8)2.8)。1.1.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.A.升高温度升高温度 B.B.降低压强降低压强C.C.使用催化剂使用催化剂 D.D.及时分离出氨气及时分离出氨气D D2.2.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X X2 2(g)

20、+2Y(g)+2Y2 2(g)(g) X X2 2Y Y4 4(g)(g)（正反应为放热反应）（正反应为放热反应）( )( )A.A.高温高温 高压高压 B.B.低温低温 低压低压 C.C.高温高温 低压低压 D.D.低温低温 高压高压D D3.3.合成氨所需的合成氨所需的H H2 2可由煤和水蒸气反应制得，其中一步的可由煤和水蒸气反应制得，其中一步的反应为：反应为：CO(g)+HCO(g)+H2 2O(g) COO(g) CO2 2(g)+H(g)+H2 2(g)(g)（正反应放热），（正反应放热），下列措施中，能提高下列措施中，能提高COCO转化率的是（转化率的是（ ）A.A.增大压强增大压强 B.B.升高温度升高温度 C.C.增大水蒸气浓度增大水蒸气浓度 D.D.增大增大COCO浓度浓度C C4.4.对于反应对于反应: : 2SO2SO2 2(g)+O(g)+O2 2(g) 2S