《化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨》參考課件1

第4節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化

——工業(yè)合成氨1.了解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件；2.了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗實際生產(chǎn)的選擇與理論分析的差異；3.通過對合成氨適宜條件的分析，認識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。19世紀(jì)以前，有遠見的化學(xué)家曾指出：考慮到將來的糧食問題，為使子孫后代免于饑餓，必須寄希望于科學(xué)家能實現(xiàn)大氣固氮——將空氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式。德國化學(xué)家哈伯在1913年實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿足了20世紀(jì)人口由30億增至60億對糧食的需求，因此人們贊揚哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。

弗里茨·哈伯利用氮氣、氫氣為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個較難的課題，從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了150年的時間。反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起來十分簡單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會經(jīng)歷如此漫長的過程？合成氨工廠為什么需要龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件？應(yīng)該從哪些方面選擇合成氨的反應(yīng)條件？化學(xué)反應(yīng)的方向化學(xué)反應(yīng)的限度化學(xué)反應(yīng)的速率合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進行怎樣能使化學(xué)平衡向合成氨方向移動怎樣能提高合成氨反應(yīng)速率適宜的合成氨條件工藝流程化學(xué)工藝學(xué)高壓對設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度對催化劑活性的影響等合成氨反應(yīng)有哪些特點？①可逆反應(yīng)③正反應(yīng)氣體體積縮小④正反應(yīng)是放熱反應(yīng)②熵減小的反應(yīng)ΔS<0N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝-92.4kJ/mol(1體積)(3體積)(2體積)合成氨反應(yīng)是一個可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:ΔH=-92.2kJ·mol-1

ΔS=-198.2J·K-1·mol-1合成氨反應(yīng)的平衡常數(shù)K=4.1×106（mol·L-1)-2請根據(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)進行？ΔH-TΔS

=-92.2kJ·mol-1+298K×198.2×10-3kJ·k-1·mol-1因為ΔH-TΔS<0，298K下合成氨反應(yīng)能自發(fā)進行已知增加N2的量能增大H2的轉(zhuǎn)化率，結(jié)合方程式判斷：工業(yè)合成氨時加入氮氣的量是越多越好嗎？N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH

＝－92.4kJ/mol不是。經(jīng)研究，工業(yè)合成氨采用N2:H2=1:2.8效果較好。1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2不同條件下平衡混合氣中氨的體積分數(shù)思考相同溫度時增大壓強，反應(yīng)的程度如何變化？反應(yīng)的程度越大。不同條件下平衡混合氣中氨的體積分數(shù)思考相同壓強時升高溫度，反應(yīng)的程度如何變化？反應(yīng)的程度越小使生產(chǎn)氨氣快（速率分析）使生成氨氣多（平衡分析）

壓強

溫度

催化劑高壓高溫使用高壓低溫不影響根據(jù)外界條件對反應(yīng)速率和反應(yīng)限度的影響，請為工業(yè)合成氨選擇合適的條件：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH

＝-92.4kJ·mol-1思考：溫度是否越高越好？壓強是否越大越好？考慮催化劑的活性考慮設(shè)備的耐壓能力N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝-92.4kJ·mol-1讓我好好想想？外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度

適宜溫度（500℃左右）使用鐵觸媒作催化劑N2和H2的物質(zhì)的量比為1:2.8的投料比,氨及時從混合氣中分離出去2×107～5×107Pa催化劑活性大1.一般要使用催化劑：2.選擇合適的溫度：3.選擇合適的壓強：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要綜合考慮設(shè)備等。該溫度是催化劑活性最大的溫度；加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟效益；工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品有哪些注意事項？例.(雙選)在合成氨工業(yè)中，為增加NH3的日產(chǎn)量，下列變化過程不能使平衡向右移動的是（

）A.不斷將NH3分離出來B.使用催化劑C.采用700K左右的高溫D.采用2×107～5×107Pa的壓強BC合成氨工業(yè)簡述：1.主要流程：原料氣制取→凈化→壓縮→合成→分離→液氨2.原料氣制?。撼Ｓ脡嚎s液態(tài)空氣N2(先逸出)蒸發(fā)制氮氣:（造氣）（凈化）（合成氨）制氫氣:水蒸氣CO+H2CO2+H2H2

熾熱碳H2O(氣)分離出CO2

合成氨的壓縮機

催化劑的催化能力一般稱為催化活性。催化劑因接觸少量的雜質(zhì)而使活性明顯下降甚至被破壞，稱為催化劑的中毒。催化劑中毒后，往往會完全失去活性，嚴重影響生產(chǎn)的正常進行。例如，對于合成氨反應(yīng)中的鐵催化劑，O2、CO、CO2和水蒸氣等都能使催化劑中毒。工業(yè)上為了防止催化劑中毒，要把反應(yīng)物原料加以凈化，以除去毒物，這樣就要增加設(shè)備，提高成本。因此，研制具有較強抗毒能力的新型催化劑，是一個重要的課題。催化劑中毒

解放前我國只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠；1949年全國氮肥產(chǎn)量僅0.6萬噸；1982年達到1021.9萬噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國家之一。近幾年來，我國引進了一批年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國自行設(shè)計和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進。我國合成氨工業(yè)的發(fā)展情況：工業(yè)合成氨的適宜條件:(速率較快,轉(zhuǎn)化率適中，催化劑活性最大)溫度:700K壓強:2×107～5×107Pa（200～500atm）催化劑：鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑)濃度：將生成的氨及時從混合氣中分離出來，且向循環(huán)氣中不斷補充N2、H2（1:2.8)。1.能使合成氨反應(yīng)進行程度增大的方法是（）A.升高溫度B.降低壓強C.使用催化劑D.及時分離出氨氣 D2.（雙選）合成氨所需的H2可由煤和水蒸氣反應(yīng)制得，其中一步的反應(yīng)為：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)（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B.降低溫度C.增大水蒸氣濃度D.增大CO濃度BCC3.一定溫度下，向一個容積為2L的事先加入催化劑的真空密閉容器中通入1molN2和3molH2，3min后測得容器的壓強是起始壓強的0.9倍，在此時間內(nèi)，用H2的量的變化來表示該反應(yīng)的平均速率是（）A.0.2mol·L-1·min-1B.0.6mol·L-1·min-1

C.0.1mol·L-1·min-1D.0.3mol·L-1·min-14.在合成氨時，可以提高H2轉(zhuǎn)化率的措施是（）A.延長反應(yīng)時間B.充入過量H2C.充入過量N2D.升高溫度5.下列反應(yīng)達到平衡時，哪種條件下生成物的含量最高：X2(g)+2Y2(g)

X2Y4(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）()A.高溫高壓B.低溫低壓C.高溫低壓D.低溫高壓CD6.關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說法正確的是（）A.從合成塔出來的氣體中氨一般占15%，所以工業(yè)生產(chǎn)氨的效率都很低B.由于NH3易液化，N2、H2可循環(huán)使用，因此總的來說工業(yè)合成氨的產(chǎn)率很高C.合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500℃左右，目的是使平衡向正反應(yīng)方向移動D.合成氨工業(yè)采用20

MPa～50MPa的壓強，是因為該條件下催化劑的活性最好B7.（雙選）對于反應(yīng):2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，下列判斷正確的是()A.2體積SO2和足量O2反應(yīng),必定生成2體積SO3B.其他條件不變,增大壓強,平衡向右移動C.平衡時,SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的兩倍D.平衡時,SO2濃度必定等于O2濃度的兩倍BC8.在一定條件下,合成氨反應(yīng)達到平衡后,混合氣體中NH3的體積占25%,若反應(yīng)前后條件保持不變,則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積之比是()A.1/5B.1/4C.1/3D.1/2A9.（雙選）在一定條件下，將N2和H2的混合氣體通入固定容積的密閉容器中進行合成氨反應(yīng)：N2+3H22NH3(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))下列圖像表示正確的是（）AC1.01×105Pa1.01×106PaABCD溫度TN2轉(zhuǎn)化率溫度TH2轉(zhuǎn)化率1.01×107Pa1.01×106Pa1.01×105Pa1.01×107Pa溫度TNH3%NH3%時間tT1T210.在合成氨反應(yīng)中，入口氣體體積比N2:H2:NH3為6: