化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控課件

第二章化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控1.知道如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡分析合成氨的適宜條件，體會(huì)應(yīng)用化學(xué)原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法。2.認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用。3.在合成氨適宜條件的討論中，形成多角度分析化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件的思路。閱讀課本P44-47頁的內(nèi)容，思考回答下列問題：1.工業(yè)合成氨的反應(yīng)及特點(diǎn)：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH=-92.4kJ/mol(1)該反應(yīng)為可逆反應(yīng)。(2)該反應(yīng)的正反應(yīng)為氣體體積

(填“增大”“減小”或“不變”)的反應(yīng)。(3)該反應(yīng)的正反應(yīng)為

(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。減小放熱2.如何綜合提高經(jīng)濟(jì)效益，請(qǐng)從單位時(shí)間里提高合成氨的產(chǎn)量、提高平衡混合物中氨的含量的角度分析。氨是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品之一，合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以及各種含氮復(fù)合肥，都是以氨為原料的。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達(dá)到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料。一、合成氨反應(yīng)的原理分析工業(yè)合成氨是人類科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大突破對(duì)合成氨反應(yīng)的影響影響因素濃度溫度壓強(qiáng)催化劑增大合成氨的反應(yīng)速率

提高平衡混合物中氨的含量

增大移走氨升溫降溫增大增大正催化劑不影響N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol-1根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以增大合成氨的反應(yīng)速率、提高平衡混合物中氨的含量？增大合成氨的反應(yīng)速率與提高平衡混合物中氨的含量所應(yīng)采取的措施是否一致?在實(shí)際生產(chǎn)中到底選擇哪些適宜的條件呢?溫度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4若追求速度，怎么選條件？若追求產(chǎn)率，怎么選條件？把成本也考慮進(jìn)去，即綜合考量速率、產(chǎn)率、成本①溫度升高,氨的含量

;與速率是

(填“相一致”或“相矛盾”)。②壓強(qiáng)增大,氨的含量

;與速率是

(填“相一致”或“相矛盾”)。二、合成氨反應(yīng)的數(shù)據(jù)分析(初始時(shí)氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比是1：3)下表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在不同溫度、壓強(qiáng)下，平衡混合物中氨的含量的變化情況合成氨的適宜條件的選擇外界條件使NH3生產(chǎn)得快使NH3生產(chǎn)得多理論選擇適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑反應(yīng)物濃度增大濃度高溫使用增大濃度低溫?zé)o影響增大濃度矛盾？？速率分析平衡分析高壓高壓高壓一致合成氨廠一般采用的壓強(qiáng)為10MPa~30Mpa。

【思考1】合成氨時(shí)壓強(qiáng)越大越好，為何不采用比30MPa更大的壓強(qiáng)?提示：壓強(qiáng)越大，對(duì)材料的強(qiáng)度和設(shè)備的制造要求也越高，需要的動(dòng)力也越大，這會(huì)加大生產(chǎn)投資，可能降低綜合經(jīng)濟(jì)效益。

壓強(qiáng)的選擇—成本與效益的博弈（一）壓強(qiáng)：一般采用的溫度為400~500℃。

【思考1】合成氨采用低溫時(shí)可提高轉(zhuǎn)化率，但為何未采用更低的溫度?提示：溫度太低，反應(yīng)速率太小，達(dá)到平衡所需的時(shí)間變長(zhǎng)，不經(jīng)濟(jì)。升高溫度，轉(zhuǎn)化率降低，另外，合成氨所需的催化劑鐵觸媒的活性在500℃左右活性最大。溫度的選擇—快與少、慢與多的權(quán)衡（二）溫度：目前，合成氨工業(yè)中普遍使用的是以鐵為主體的多成分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸媒在500℃左右時(shí)的活性最大，這也是合成氨一般選擇400~500℃進(jìn)行的重要原因。另外，為了防止混有的雜質(zhì)使催化劑“中毒”，原料氣必須經(jīng)過凈化。

使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍（三）催化劑：采取迅速冷卻的方法，使氣態(tài)氨變成液氨后及時(shí)從平衡混合物中分離出去，以促使化學(xué)平衡向生成NH3的方向移動(dòng)。此外，如果讓N2和H2的混合氣體只一次通過合成塔發(fā)生反應(yīng)也是很不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)將NH3分離后的原料氣循環(huán)使用，并及時(shí)補(bǔ)充N2和H2，使反應(yīng)物保持一定的濃度，以利于合成氨反應(yīng)?！舅伎肌亢铣砂惫I(yè)采用迅速冷卻法，使氣態(tài)氨變?yōu)橐喊焙蠹皶r(shí)從混合物中分離出去的目的是什么?【提示】使化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)。

（四）濃度：

工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度10～30MPa400～500℃鐵觸媒采取

的方法，及時(shí)分離出液氨，分離后的原料氣

.

三、合成氨反應(yīng)的條件調(diào)控N2和H2的的投料比為1∶2.8，及時(shí)分離氨四、調(diào)控化學(xué)反應(yīng)需考慮的問題1．反應(yīng)限度：要考慮盡量增大反應(yīng)物的__________，充分利用原料。2．反應(yīng)速率：要選擇較快的____________，提高單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量。3．生產(chǎn)要求：要考慮設(shè)備的要求和技術(shù)條件。轉(zhuǎn)化率反應(yīng)速率化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控①含義：通過

使一個(gè)可能發(fā)生的反應(yīng)按照某一方向進(jìn)行。②考慮因素：設(shè)備條件、安全操作、經(jīng)濟(jì)成本等；綜合考慮影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素，尋找合適的生產(chǎn)條件；權(quán)衡分析環(huán)境保護(hù)及社會(huì)效益等方面的規(guī)定和要求。結(jié)合合成氨的條件選擇，思考：工業(yè)上調(diào)控化學(xué)反應(yīng)需要考慮哪些問題？1.有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中，正確的是A.增大H2的濃度，可提高H2的轉(zhuǎn)化率B.由于氨易液化，N2、H2在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)循環(huán)使用，所以總體來說氨的產(chǎn)率很高C.合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在400~500℃，目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)D.合成氨廠采用的壓強(qiáng)是10MPa~30Mpa，因?yàn)樵搲簭?qiáng)下鐵觸媒的活性最大B2.相同溫度下，有體積相同的甲、乙兩個(gè)容器，甲容器中充入1gN2和1gH2，乙容器中充入2gN2和2gH2，分別進(jìn)行合成氨反應(yīng)。下列敘述中錯(cuò)誤的是A.化學(xué)反應(yīng)速率：乙>甲B.平衡后N2的濃度：乙>甲C.H2的平衡轉(zhuǎn)化率：乙>甲D.平衡混合氣體中H2的體積分?jǐn)?shù)：乙>甲D

3.有平衡體系：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

ΔH<0。為了增加甲醇(CH3OH)的產(chǎn)量，應(yīng)采取的正確措施是A.高溫，高壓B.適宜溫度，高壓，催化劑C.低溫，低壓D.高溫，高壓，催化劑B4.工業(yè)上合成氨一般采用400~500℃的溫度，其原因是①適當(dāng)提高氨的合成速率

②提高H2的轉(zhuǎn)化率③提高氨的產(chǎn)率

④催化劑在500℃左右活性最大A.只有①

B.只有①②C.②③④ D.只有①④D5.在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-198kJ·mol-1。回答下列(1)-(5)題：(已知催化劑是V2O5，在400~500℃時(shí)催化效果最好)下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)。(1)根據(jù)化學(xué)理論和以上數(shù)據(jù)綜合分析，為了使二氧化硫盡可能轉(zhuǎn)化為三氧化硫，可控制的條件是什么?常壓、450℃、催化劑5.在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-198kJ·mol-1?；卮鹣铝?1)-(5)題：(已知催化劑是V2O5，在400~500℃時(shí)催化效果最好)下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)。(2)在實(shí)際生產(chǎn)中，選定400~500℃作為操作溫度，其原因是什么?兼顧速率和平衡，且在此溫度下催化劑的活性最高5.在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-198kJ·mol-1。回答下列(1)-(5)題：(已知催化劑是V2O5，在400~500℃時(shí)催化效果最好)下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)。(3)根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)分析，制取SO3時(shí)為什么不采用高壓?在常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率就已經(jīng)很高了(97.5%)，若采用高壓，平衡能向右移動(dòng)，但效果并不明顯，且采用高壓時(shí)會(huì)增大設(shè)備的成本，得不償失5.在硫酸工業(yè)中，通過下列反應(yīng)使SO2氧化成SO3：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-198kJ·mol-1?；卮鹣铝?1)-(5)題：(已知催化劑是V2O5，在400~500℃時(shí)催化效果最好)下表為不同溫度和壓強(qiáng)下SO2的轉(zhuǎn)化率(%)。(4)在生產(chǎn)中，通入過量空氣的目的是什么?增大反應(yīng)物O2的濃度，提高SO2的轉(zhuǎn)化率5.在硫酸