4、化学反应条件的优化——工业合成氨

1、第2章 化学反应的方向、限度与速率,第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨,弗里茨哈伯：,用空气制造面包的天使,自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，但直到1913年哈伯领导的科研团队实现了合成氨的工业生产，大大提高了粮食的产量。,考试说明解读,了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件。 了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产的选择与理论分析的差异。 通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。,教学重点、难点,应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件,增大压强、降低

2、温度、增大反应物浓度等。 N2、H2体积比为13时平衡混合物中氨的含量最高。,学习探究,基础自学落实重点互动探究,2 利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？,答案,交流研讨1（课本65页）,学习探究,使用催化剂,升高温度,增大压强,增大反应物浓度,N2、H2,使用催化剂,3.答案如下：利用条件对反应速率的影响分析。,交流研讨2（课本66页）,学习探究,归纳总结,基础自学落实重点互动探究,使NH3生产得快和使NH3生产得多的条件,高压,高压,高温,低温,使用,无影响,增大浓度,增大浓度,数据分析,1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,

3、0.1,NH3%,N2:H2,N2、H2体积比对产率的影响,学习探究,基础自学落实重点互动探究,工业合成氨对各种外界条件选择的理由,1 压强：,高压. 通常取用2 107pa 5 107pa,理由：,合成氨反应是正反应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，对设备的要求越高、压缩H2和N2所需要的动力越大，因此选择压强应符合实际科学技术。,2 温度：,700K,理由：,(1)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。 但是温度越低，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。 (2)主要

4、原因为催化剂在该温度下活性最大。,交流研讨2（课本67页）,学习探究,基础自学落实重点互动探究,N2和H2的物质的量之比为12.8的投料比，氨及时从 混合气中分离出去,3. 浓度：,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13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的物质的量之比为12.8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。,理由：,经济效益和社会效益要求化学反应速率要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。

5、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。,4 催化剂：,使用铁触媒作催化剂,理由：,学习探究,归纳总结,基础自学落实重点互动探究,合成氨的适宜条件,根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强. 通常取用2 107pa 5 107pa,适宜温度，700 K左右,使用铁触媒作催化剂,N2和H2的物质的量比为12.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去,学习探究,基础自学落实重点互动探究,合 成 氨 流 程 简 图,合 成 塔,氨 分 离 器,液氨,水 冷 器,循环气体,压缩机,循环压缩机,氢氮混合气,参看课本P69页,在中压的工艺条件下，合成氨厂出口气中的氨含量一

6、般为13%14%，那么剩余的N2和H2该如何处理呢？,选择合成氨的条件时，既不能.也不能，而应该（P68）,为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进？ 仿生固氮酶催化剂 (科研项目),寻找具有抗毒能力的新型催化剂,我国合成氨工业的发展情况： 我国合成氨工业开始于20世纪30年代，1949年新中国成立时合成氨厂只有3家，年生产能力不到0.6万吨。经过几十年的努力，我国已经拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家；到2000年，合成氨年产量达到3363.7万吨，从生产能力和产量上都位居世界前列。,实际生产,指导,角色转换 ： 假如你是一个工厂的厂长，对工业生产你主要应考

7、虑哪些问题？,增大化学反应速率,2.单位时间内产率高,增大化学反应限度,1.原料的利用率高,3. 未转化合成气(氮气和氢气)的循环使用. 4. 原料来源、价格。生产中的消耗能源、反应热的综合利用、设备条件、综合经济效益、环境保护等因素。,1.工业合成氨反应是700 K左右进行的，这主要原因是（ ） 700 K 时氨的平衡浓度最大 700 K 时此反应速率最快 C.700 K 时氨的转化率最高 D.700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作用,D,2. 在合成氨工业中，下列操作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,当堂检测,AD,3.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,D,4.有关合成氨工业的说法中，正确的是（ ） A.从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占约13%14 % ，所以生产氨的工厂效率都很低。 B.由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高。 C.合成氨工业的反应温度控制在700K