24化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化――工業(yè)合成氨課件

達(dá)到平衡時(shí)平衡混合物中NH3的含量（體積分?jǐn)?shù)）[V(N2):V(H2)=1:3]

0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4壓強(qiáng)/MPaNH3含量/%/℃資料１：

第2章第四節(jié)

《

化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化

——工業(yè)合成氨》

高中化學(xué)選修《化學(xué)反應(yīng)原理》回顧一段歷史

……勒夏特列能斯特氨(NH3)高壓條件下：N2+3H2＝2NH3爆炸1900年反應(yīng)氣體中混有氧氣德國物理學(xué)家、化學(xué)家能斯特理論計(jì)算：合成氨是不能進(jìn)行的?。?！熱力學(xué)數(shù)據(jù)德國皇帝快找哈伯來?。?！我要成為百萬富翁啦！啦！

1908年7月，哈伯在實(shí)驗(yàn)室用N2和H2在600℃，200個(gè)大氣壓下合成出氨，產(chǎn)率僅有2%德國化學(xué)家弗里茨·哈伯FritzHaber1911-1913年：研究出提高氨氣產(chǎn)率的方法。1913年：在哈伯的指導(dǎo)下，德國合成了1000噸液氨，并且用它制造出3500噸烈性炸藥TNT，促成了德軍一戰(zhàn)中兩年的肆掠。氨氣他是魔鬼！制炸藥他是天使！制氮肥制硝酸制冷劑你認(rèn)為要利用反應(yīng)：大量生產(chǎn)氨氣，需要考慮哪些問題？增大化學(xué)反應(yīng)速率生產(chǎn)速度越快越好增大化學(xué)反應(yīng)限度氨氣的產(chǎn)率越高越好生產(chǎn)成本越低越好（讓平衡正向移動(dòng)）N2+3H22NH3（正反應(yīng)放熱）外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度高壓200~500大氣壓

合適的溫度

500℃左右使用鐵觸媒作催化劑及時(shí)分離氨、補(bǔ)氮?dú)湓蠚庋h(huán)[n(N2):n(H2)=1:2.8]本節(jié)課基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)：N2+3H22NH31、合成氨生產(chǎn)時(shí)，為什么不采用盡可能高的壓強(qiáng)？通常采用2×107~5×107Pa的壓強(qiáng)？2、實(shí)際生產(chǎn)中，為什么溫度不能太高而采用適當(dāng)高溫（500℃左右）？3、在高溫高壓下，催化劑不能使平衡移動(dòng)，為什么還要使用催化劑？4、你認(rèn)為合成氨中，氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比為多少最佳，為什么？壓強(qiáng)越大，設(shè)備成本越高升高溫度，平衡向左移動(dòng)，氨氣的產(chǎn)率降低。選擇500是催化劑鐵觸媒活性最高的溫度?？梢约涌旆磻?yīng)速度1:2.81、氨的合成反應(yīng)，生產(chǎn)中采用的適宜條件是（）。A、低溫、高壓、適當(dāng)?shù)拇呋瘎〣、高溫、常壓C、盡可能高溫、高壓D、適當(dāng)?shù)臏囟?、適當(dāng)?shù)母邏?、適宜催化劑D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練B2、利用原料氣在合成塔中合成NH3，為提高N2的轉(zhuǎn)化率應(yīng)采取的措施是〔〕

A、高溫B、高壓C、使用催化劑D、增大N2的濃度3．反應(yīng)CO+H2OCO2+H2（正反應(yīng)放熱），下列措施中，能提高CO轉(zhuǎn)化率的是（

）

A．增大壓強(qiáng)

B．降低溫度

C．加入CO氣體

D．加催化劑B4、促使化學(xué)平衡N2+3H22NH3向右移動(dòng)，且反應(yīng)速率加快的是A．加催化劑 B．通入N2C．分離NH3

D．容器體積增大B5、已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表(1)應(yīng)選用的溫度是______。應(yīng)采用的壓強(qiáng)是______，理由是____________________________________________________________________________________________。450℃常壓因?yàn)槌合耂O2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，若采用較大壓強(qiáng)，SO2的轉(zhuǎn)化率提高很少，但需要的動(dòng)力更大，對(duì)設(shè)備的要求更高。6.下列事實(shí)中不能用勒夏特列原理來解釋的是（）A.工業(yè)制硫酸的過程中通入足量的空氣,可以提高SO2的產(chǎn)率B.加入催化劑有利于合成氨反應(yīng)C.高壓有利于合成氨反應(yīng)D.500℃左右比室溫更有利于合成氨反應(yīng)BDC7.有如下平衡體系：

CO（g）+2H2（g）CH3OH(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），為了增加甲醇的產(chǎn)量，應(yīng)采取的正確措施是（）

A.高溫、高壓B.低溫、低壓

C.適宜的溫度、高壓、催化劑

D.高溫、高壓、催化劑預(yù)習(xí)提綱：1、原料氣的選擇：從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1：3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為

時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。有人認(rèn)為氮?dú)饬畠r(jià)，可以采用鼓入大量的空氣來提高氫氣的轉(zhuǎn)化率，你是怎么看的。2、從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動(dòng)角度分析，壓強(qiáng)越大越好，但實(shí)際生產(chǎn)中采用中壓即200－500個(gè)大氣壓。為什么不采用更高的氣壓。3、選擇400－500℃是出于何種原因。4、用什么做催化劑？使用催化劑能提高原料的轉(zhuǎn)化率嗎？能提高工產(chǎn)的日產(chǎn)率嗎？5、實(shí)際生產(chǎn)中還采用哪些措施。解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸，而1982年達(dá)到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。上海吳涇化工廠是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠6、下列說法正確的是（）A、在高溫下，將氯化銨晶體加入處于平衡狀態(tài)的合成氨反應(yīng)時(shí)，平衡不發(fā)生移動(dòng)B、在密閉容器中，當(dāng)CaCO3CaO+CO2處于平衡狀態(tài)時(shí)，再加入Na2O2固體，CaCO3的量會(huì)減少。C、有固體參加的可逆反應(yīng)達(dá)平衡后，若改變壓強(qiáng)，不會(huì)影響平衡的移動(dòng)D、在合成氨反應(yīng)中，使用催化劑能提高反應(yīng)速率，使氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，從而增加氨的產(chǎn)量B１３、在密閉容器中，放入5molH2，3molN2以合成氨，平衡時(shí)生成氨為2mol，則平衡時(shí)壓強(qiáng)是起始時(shí)壓強(qiáng)的（）

A．1.3倍 B．2倍

C．0.75倍 D．0.25倍C思考題

１０．合成氨工業(yè)有下列流程：①原料氣制備；②氨的合成；③原料氣凈化和壓縮；④氨的分離。其先后順序?yàn)?

)A．①②③④

B．①③②④

C．④③②①

D．②③④①B課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練１５.合成氨中，原料氣（N2、H2及少量的CO、NH3混合氣）在進(jìn)入合成塔前常用醋酸二氨合銅溶液來吸收原料氣中的CO，其反應(yīng)是：（1）醋酸二氨合銅吸收CO的生產(chǎn)適宜條件應(yīng)是__________。（2）吸收CO后的醋酸銅氨液經(jīng)過適當(dāng)處理又可再生，恢復(fù)其吸收的CO的能力以供循環(huán)使用。醋酸銅氨液再生的生產(chǎn)適宜條件應(yīng)是____________。低溫高壓[()][()]CuNHAcCONHCuNHAc?CO32333++(放熱反應(yīng))高溫低壓

3、密閉容器中的可逆反應(yīng)：CO+NO2CO2+NO（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。達(dá)到平衡后，只改變下列的一個(gè)條件，填寫有關(guān)的空白：①增大容器的體積，平衡

，c（NO2）將

，反應(yīng)混合物的顏色

。②升高溫度，平衡

，體系的壓強(qiáng)

。

③加入催化劑，平衡

，NO2的物質(zhì)的量

。④通入O2，反應(yīng)體系的顏色

，NO的物質(zhì)的量

。⑤通入N2，體系壓強(qiáng)

，平衡

。不移動(dòng)減小變淺逆向移動(dòng)不變不移動(dòng)不變先變深，后變淺先減少，后增多增大不移動(dòng)課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練100atm200atm300atmTN2轉(zhuǎn)化率0300atm200atm100atmTN2轉(zhuǎn)化率0TN2轉(zhuǎn)化率0100atm200atm300atmTN2轉(zhuǎn)化率0100atm200atm300atmABCDD4、能正確反應(yīng)出：N2

(g)+3H2

(g)2NH3

(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）的關(guān)系的是（）。課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練5、在密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，N2+3H22NH3

達(dá)平衡后，當(dāng)其他條件不變時(shí)，將平衡體系中各物質(zhì)的濃度都增加到原來的2倍，下列說法錯(cuò)誤的是（）A、平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)B、達(dá)新平衡時(shí)，c(N2)與原平衡相比較大C、達(dá)新平衡時(shí)正、逆反應(yīng)速率均比原平衡大D、達(dá)新平衡時(shí)，混合氣體的密度變小D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練6、某溫度下，下列反應(yīng)：S2Cl2(l)+Cl2(g)2SCl2(l)(正反應(yīng)放熱)（橙黃色）（鮮紅色）在密閉容器中達(dá)到平衡（氣、液共存），下列說法錯(cuò)誤的是（）A、溫度不變，增大容器的體積，S2Cl2的轉(zhuǎn)化率降低B、溫度不變，縮小容器的體積，液體的顏色加深C、壓強(qiáng)不變，升高溫度，液體的顏色變淺D、體積不變，降低溫度，氯氣的轉(zhuǎn)化率降低D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練7、在密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，N2+3H22NH3

達(dá)平衡后，若保持溫度不變，縮小容器容積，達(dá)到新的平衡時(shí)，下列敘述中正確的是（）①NH3的濃度增大，N2、H2的濃度減?、贜H3的物質(zhì)的量增大，N2、H2的濃度減?、跦2的轉(zhuǎn)化率增大，N2的轉(zhuǎn)化率不變④混合氣體的濃度增大A、①③

B、②④

C、①②D、③④

B課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練合成氨的反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)

分析角度反應(yīng)條件使合成氨的速率快使平衡混合物中氨的含量高壓強(qiáng)溫度催化劑高壓高壓高溫低溫

使用不影響一致矛盾鐵觸媒催化能力資料4：一、合成氨反應(yīng)的限度1、請(qǐng)根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變，分析２９８K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？資料１：交流研討２、請(qǐng)利用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析什么條件有利于氨的合成？達(dá)到平衡時(shí)平衡混合物中NH3的含量（體積分?jǐn)?shù)）[V(N2):V(H2)=1:3]

0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4壓強(qiáng)/MPaNH3含量/%溫度/℃溫度升高，氨的含量降低壓強(qiáng)增大，氨的含量增大資料１：資料２：氫氮比合成氨的反應(yīng)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）

分析角度反應(yīng)條件使合成氨的速率快使平衡混合物中氨的含量高壓強(qiáng)溫度催化劑高壓高壓高溫低溫

使用不影響

工業(yè)合成氨條件的選擇：①合適的溫度（700K左右）：

該溫度是催化劑活性最大的溫度；②合適的壓強(qiáng)（20MPa—50MPa）：

既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要考慮

設(shè)備成本等。③使用催化劑（鐵觸媒）：可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率。④及時(shí)補(bǔ)充反應(yīng)物（N2與H2之比1:2.8），分離出

氨氣。催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響條件△E/KJ/molK(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(100k)使用Fe催化劑167

使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。資料5：

0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4壓強(qiáng)/MPaNH3含量/%溫度/℃思考問題４即使在500℃和30MPa時(shí)，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？分析：保持一定的N2、H2濃度，減少氨氣的濃度，可以提高合成氨的效率和產(chǎn)量。實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化而分離出去；及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃?，使其保持一定的濃度。思考問題４即使在500℃和30MPa時(shí)，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化