2023学年完整公开课版《6合成氨》教学

化工生产能否做到又快又多《6合成氨》教学课件[背景资料]哈伯和哈伯法合成氨19世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一。

一、合成氨反应的原理N2(g)+3H2(g)2NH3(g)+112.64kJ假如你是合成氨工厂的厂长，对产品的生产效率、成本有何要求?速度要快原料的利用率要高单位时间的产量要高生产中的消耗能源、原料、设备条件等因素要从反应速率和反应平衡两方面来考虑请思考这个反应的特点正反应是一个气体体积缩小的放热反应。根据化学平衡的知识请思考：要增大平衡体系中氨的含量、增大原料的转化率可以采用哪些方法？增大压强，降低温度，减小生成物的浓度都可以提高原料的转化率。根据化学反应速率的知识请思考：要加快合成氨的反应速率可以采取哪些方法？增大压强、升高温度、使用合适的催化剂都可以加快合成氨的速率。思考：以上因素中有矛盾吗？1、压强怎么选？压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此压强也不宜过高。思考：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？二、合成氨条件的选择综合以上两点，实际生产中压强一般选择在20~50MPa之间。2、温度怎么选择？①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量。②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。③催化剂要在一定的温度下才能达到最佳的催化效果。综合以上因素，实际生产中温度一般选择在400~500℃（主要考虑催化剂的活性）左右。3、浓度怎么定？H2和N2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。因此可以用保持一定的氮、氢浓度，减少氨气的浓度的方法，来提高合成氨的效率和产量。实际生产中的处理方法：①及时将气态氨冷却液化而分离出去；②及时补充氮气和氢气，使其保持一定的浓度。4、用不用催化剂？思考：①使用催化剂能否提高合成氨的转化率？②使用催化剂对反应速率有何影响？实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（俗称铁触媒），它在400~500℃时活性较高。在常温常压下，合成氨的反应进行得非常缓慢，几乎不能觉察。即使高温高压下，反应速率仍然很小，必须要使用一定的催化剂。使用催化剂：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；合成氨的适宜条件选择合适的温度：500℃左右，提高反应速率，又是合成氨催化剂的活性温度；选择合适的压强：20MPa~50MPa，有利于氨的合成，该压强下进行生产，对动力、材料、设备等来说正合适。浓度：将氨气液化后及时分离出来，所得原料气（过量N2、H2）循环使用，并及时补充N2、H2三、工业合成氨的流程合成氨工业的流程：原料气制取→净化→压缩→合成→分离→液氨N2、H2N2：液化空气，蒸发分离出氮气H2：用水和焦炭高温下反应C+H2O（g）CO+H2CO+H2O（g）CO2+H2

原料气的制备合成塔生产示意图四、合成氨工业的发展讨论：请你谈谈对合成氨工业的发展前景有何设想？参考