合成氨工業(yè)哈伯ppt課件

1918年諾貝爾化學獎獲得者哈伯(FritzHaber),人物簡介,哈伯(FritzHaber)，德國化學家。1868年12月9日生于德國的布勞斯雷。先后在柏林大學和海德堡大學學習。1891年他在夏洛頓堡高等工業(yè)學院獲得博士學位。1896年，任巴登大學講師。1905年哈伯在慕尼黑出版了工業(yè)氣體反應熱力學一書，書中闡述了他對氮、氫合成反應平衡關(guān)系的研究。1909年7月，哈伯成功地建立了每小時能產(chǎn)生80克氨的實驗裝置。為合成氨工業(yè)奠定了基礎(chǔ)。1918年，哈伯因研制合成氨作出重大貢獻而獲得諾貝爾化學獎。1943年，哈伯在應聘去以色列丹尼爾西夫研究所任職途中(有文獻說是去美國途中)，于1月29日在瑞士的巴塞爾病逝，年僅66歲。,對合成氨的探索,19世紀初，人們就認識到氮肥在農(nóng)業(yè)中的巨大作用。當時含氮化合物主要來自智利的硝酸鈉礦，有限的礦產(chǎn)資源使得含氮化合物的價格十分高，不能滿足工農(nóng)業(yè)的需要。大氣的五分之四都是氮，固氮，成為一項受到眾多科學家關(guān)注重大課題。當時最吸引人的設(shè)想有兩種：,K(298K)=3.841031,K(298K)=4.1106,N2+3H22NH3,當時人們選擇的人工固氮方法主要是電弧法合成NO,效率很低,不能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。,能不能使用合成氨反應進行固氮？,自18世紀以來，許多人致力于合成氨反應的研究，但都無功而返。1900年，法國化學家勒夏特列通過理論計算，認為氮氣和氫氣可以直接化合生成氨。在實驗驗證過程中發(fā)生了爆炸，他覺得這個實驗有危險就放棄了。后來查明他失敗的原因是他所用的混合氣體中含有氧氣。稍后，著名物理化學家能斯特經(jīng)過計算得出結(jié)論，認為合成氨的工業(yè)化難以實現(xiàn)，理由是合成氨反應很難自發(fā)進行。后來才發(fā)現(xiàn)，他在計算時誤用了一個熱力學數(shù)據(jù)，以致得出錯誤的結(jié)論。由于能斯特在物理化學領(lǐng)域的權(quán)威性，人工合成氨的研究陷入低潮。（勒夏特列，法國化學家，勒夏特列原理)（能斯特，德國物理化學家，獲得1920年諾貝爾化學獎）,哈伯的研究,能斯特結(jié)論的公布給同時研究合成氨的哈伯很大的打擊。但是通過比較發(fā)現(xiàn)，他所得的某些數(shù)據(jù)與能斯特有所不同。哈伯沒有盲從權(quán)威，而是依靠實驗來檢驗，終于驗證了能斯特的計算錯誤，合成氨反應是能發(fā)生的！,已知常溫（298K）時:H=-92.2kJmol-1S=-198.2JK-1mol-1,N2+3H22NH3,HTS-33.1kJmol-10,K(298K)4.1106,哈伯經(jīng)過重新計算，糾正了能斯特的錯誤，指出常溫時合成氨反應可以自發(fā)進行，而且平衡常數(shù)很大，可以認為進行完全。,究竟是什么原因阻礙了合成氨反應的應用呢？,研究化學反應的工業(yè)化應用，除了方向和限度，反應的快慢必須考慮。工業(yè)化生產(chǎn)應綜合考慮反應物的轉(zhuǎn)化率和反應的速率，取得最佳效益。,影響合成氨反應速率的內(nèi)因是什么？,氮氣的穩(wěn)定性，NN很難斷裂，反應所需的活化能特別高。,可以采取什么措施破壞NN，加快合成氨的反應速率？,升高溫度,哈伯進行的試驗表明，合成氨的溫度必須在1000以上，才能達到工業(yè)生產(chǎn)所要求的反應速率?？墒钱敎囟壬叩?000時，氨的產(chǎn)率僅為0.012%，不如低溫時的產(chǎn)率，哈伯的研究陷入困境：溫度過高：氨的產(chǎn)量低降低溫度：反應緩慢,如何解決反應速率與轉(zhuǎn)化率的矛盾？降低反應活化能，提高反應速率還有其他途徑嗎？,使用催化劑,1905年底，哈伯確定了氮氣和氫氣的混合氣體在高溫高壓及催化劑的作用下合成氨。但是什么樣的高溫高壓條件最佳？以什么樣的催化試劑最好？哈伯帶領(lǐng)研究小組在四年內(nèi)進行了多達6500次試驗和計算，終于在1909年取得了鼓舞人心的成果，這就是在600的高溫，20MPa和鋨作為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為6%8%的合成氨。,百年前的哈伯合成氨實驗裝置,在一位來自英國的學生洛森諾的協(xié)助下，哈伯成功地設(shè)計出一套適合于高壓實驗的裝置和合成氨的工藝流程，這流程是：在熾熱的焦炭上方吹入水蒸汽，可以獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混和氣體。其中的一氧化碳在催化劑的作用下，進一步與水蒸汽反應，得到二氧化碳和氫氣。然后將混和氣體在一定壓力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了較純凈的氫氣。同樣將水蒸汽與適量的空氣混和通過紅熱的炭，空氣中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，從而得到了所需要的氮氣。8的轉(zhuǎn)化率不算高，會影響生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。怎么辦？哈伯認為若能使反應氣體在高壓下循環(huán)加工，并從這個循環(huán)中不斷地把反應生成的氨分離出來，則這個工藝過程是可行的。于是他成功地設(shè)計了原料氣的循環(huán)工藝。這就是合成氨的哈伯法。,哈伯的發(fā)明震動了全球化學界，并產(chǎn)生劃時代效應。他的發(fā)明使大氣中的氮變成生產(chǎn)氮肥的、永不枯竭的廉價來源，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴土壤的程度減弱。1919年，瑞典科學院考慮到哈伯發(fā)明的合成氨對全球經(jīng)濟巨大的推動作用，頒發(fā)給哈伯1918年諾貝爾化學獎!,對哈伯的評價,合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿足了20世紀人口快速增長對糧食的需求，因此人們贊揚哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。也有人說他是魔鬼，給人類帶來災難、痛苦和死亡。,在第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時，軍事專家曾預測：由于含氨化合物的短缺，大戰(zhàn)將在一年之內(nèi)結(jié)束。到了1913年的第一次世界大戰(zhàn)時，哈伯已為德國建成了無數(shù)個大大小小的合成氨工廠，為侵略者制造了數(shù)百萬噸炸藥因而延長了這場殃禍全球的世界大戰(zhàn)，這就是第一次世界大戰(zhàn)德國為什么能堅持這么久的原因。一次大戰(zhàn)爆發(fā)后，哈伯研究所被德國軍方指定研究軍需品為戰(zhàn)爭服務，首先研制出軍用毒氣氯氣罐。德軍統(tǒng)帥在哈伯的建議下，在伊普雷地區(qū)揭開了世界第一次化學戰(zhàn)的帷幕。致使5千多人死亡，一萬五千多人中毒致傷?；瘜W武器在一次大戰(zhàn)中造成近130萬人的傷亡，占大戰(zhàn)傷亡總?cè)藬?shù)的4.6%，哈伯則成了制造化學武器的鼻祖，人類的罪人。1919年，瑞典科學院考慮到哈伯發(fā)明的合成氨對全球經(jīng)濟巨大的推動作用，決定給哈伯頒發(fā)1918年唯一的諾貝爾化學獎。消息傳來，全球嘩然。一些科學家指責這一決定玷污了科學界。但也有一些科學家認為，科學總是受制于政治，科學史上許多發(fā)明既可用來造福人類，也可用于毀滅人類文明；哈伯發(fā)明合成氨，可以將功抵過。面對接踵而來的掌聲與唾罵，哈伯平靜地說：“我是罪人，無權(quán)申辯什么，我能做的就是盡力彌補我的罪行。”。,合成氨工業(yè)的進一步研究和發(fā)展,1931年諾貝爾化學獎獲得者卡爾.博施，其主要貢獻之一是改進了哈伯首創(chuàng)的高壓合成氨注，將哈伯發(fā)明的合成氨研究成果付諸實施大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，改革了合成氨的工業(yè)體系。找到了合適的氧化鐵型催化劑，研制建造出能耐高溫和高壓并能長期使用和操作簡便的合成氨裝置。用哈伯-博施法生產(chǎn)合成氨，在世界各