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2.4《化学反应条件的优化---工业合成氨》课件(鲁科版选修4)



化学反应条件的优化—— 工业合成氨

弗里茨· 哈伯:

用空气制造面包的圣人

弗里茨· 哈伯与合成氨 自1784年人们发现了氨之后,尤其是人们认识到氨 对于植物生长的作用之后,人们就一直想将空气中 丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。合成 氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150 年的时间。德国科学家哈

伯在10年的时间内进行了 无数次的探索,单是寻找高效稳定的催化剂,2年 间他们就进行了多达6500次试验,测试了2500种不 同的配方,最后选定了一种合适的催化剂--铁,使 合成氨的设想在1913年成为工业现实,满足了20世 纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求,因此人们赞 扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”。鉴于合成氨 工业的实现,瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发 了诺贝尔化学奖。

化学反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起来十 分的简单,为什么合成氨的工业化生产 会经历如此漫长的过程?合成氨工厂为 什么需要那么庞大而复杂的生产设备和 特殊的生产条件?

工业生产时主要考虑的因素?

(1)要使氨生成得更多(即提高平衡混合物里氨的含量) ——化学平衡问题 (2)要使氨生成得更快(即提高单位时间里氨的产量)

——化学反应速率问题

(3)尽可能降低成本;如对耐高温设备所需材料的要求。

(4)符合绿色化学理念, 即注意环境保护,反应物利用率接近百分之百

复 习
温度

影响化学反应速率和化学平衡 的重要因素有哪些?
化学反应速率 化学平衡

升高温度,平衡向吸 温度越高,反应速 热方向移动 率越大 气体压强 压强越大,反应速 增大压强,平衡向气态物 率越大 质系数减小的方向移动 催化剂 正催化剂加快反应 催化剂对平衡无影响 速率 浓度 反应物浓度越大,反 增大反应物浓度,平 衡正向移动 应速率越大

【交流·研讨】
合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 已知298K时: △H= -92.2KJ· mol-1

书P65
2NH3(g)

△S = -198.2J· K-1· mol-1
请根据正反应的焓变和熵变分析298K下 合成氨反应能否自发进行? 298K下合成氨反应的平衡常数 K为4.1×106(mol· L-1)-2

合成氨反应的特点:
N2(g)+3H2(g) (1体积) (3体积) 2NH3(g) △H =-92.2kJ/mol (2体积)

△S = -198.2J·K-1·mol-1

① 可逆 _____反应

减小的反应 ②熵_____
减小 ③正反应气态物质系数_____ 放热 ④正反应是_____ 反应

一、合成氨反应的限度
【交流·研讨】
书P65

请利用化学平衡移动的知识分析 什么条件有利于氨的合成.

NH3%
0.6

0.5
0.4

0.3
0.2

0.1
1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 N2:H2

降低 增大 ___温度、 ___压强有利于化学平衡向 生成氨的方向移动,N2、H2体积比为 1:3 时平衡混合物中氨的含量最高。 _____

二、合成氨反应的速率
【交流·研讨】

书P66

1、你认为可以通过控制那些反应 条件来提高合成氨反应的速率?

2、实验研究表明,在特定条件下, 合成氨反应的速率与反应的物质的浓 度的关系为: ν =κC(N )C1.5(H )C-1(NH ) 2 2 3
请你根据关系式分析:各物质的浓 度对反应速率有哪些影响?可以采 取哪些措施来提高反应速率?

3、请你根据下表所给的数据分析催化 剂对合成氨反应速率的影响: 催化剂对合成氨反应速率的影响
条件 无催化剂 使用Fe催化剂 △ E /KJ/mol 335 3.4×1012(700k) 167 k(催)/k(无)

1.升高温度 2.增大压强 3.增大反应物浓度 4.使用催化剂
使用催化剂可使合成氨反应的速率提 高上万亿倍。

5.增大N2`H2浓度,将氨及时从 混合气中分离出去

合成氨的适宜条件的选择
外界条件 压强 温度 催化剂 反应物的浓度
生成物氨的浓度

使NH3生产得快 速率分析

使NH3生产得多 平衡分析

高压 高温 使用 增大浓度 减小浓度

高压 低温 无影响 增大浓度 减小浓度

1、压强怎么选?

分析:
①合成氨反应是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。
②但是压强越大,对设备的要求高、压缩 H2和N2所需要的动力大,因此选择压强应符合 实际科学技术。

综合以上两点:根据反应器可使用的钢 材质量及综合指标来选择压强。实际生产中
压强一般选择在200~500大气压之间。

2、温度怎么选择?
分析:

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。
②可是温度越低,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。 ③催化剂要在一定温度下催化活性最大。 综合以上因素:实际生产中温度一般选择在 700K左右(主要考虑催化剂的活性)。

3、用不用催化剂?
分析: 经济效益和社会效益要求化学反应速度要快, 原料的利用率要高,单位时间的产量要高。 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、浓度怎么定? N2 和H2的比例怎么定?
(阅读书本67页)

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1:3 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的物质的量比为1:2.8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。即N2和H2的物质的量比为1:2.8

研讨的结果
外部条件 压强 温度 催化剂 浓度 工业合成氨的适宜条件 根据反应器可使用的钢材质 量及综合指标来选择压强 适宜温度 700K左右 使用铁触媒作催化剂
N2和H2的物质的量比为1:2.8的投 料比, 氨及时从混合气中分离出去

合成氨流程简图

合 成 塔

氨 分 离 器

水冷器
循环气体

液 氨

我国合成氨工业的发展情况:

解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂; 1949年全国氮肥产量仅0.6万吨; 2000年达到3363.7万吨 2008年合成氨总产能约5700万吨, 2009年底达到6000万吨以上。 产能增加主要是新建装置和部分装置扩能改 造的贡献。

? 能使合成氨反应进行程度增大的方 法是( D ) ? A、升高温度 B 、降低压强 ? C、使用催化剂 D 、及时分离出 氨气

练一练:
1.在合成氨工业中,为增加NH3的日产量,下列变 化过程不能使平衡向右移动的是( BC )

(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2×107~5×107Pa的压强

2.下列反应达到平衡时,哪种条件下生成物 的含量最高:X2(g)+2Y2 (g) (正反应为放热反应)( A.高温 高压 C.高温 低压
D )

X2Y4 (g)

B.低温 低压 D.高压 低温

3、在合成氨时,可以提高H2转化率的措施是( C )
(A)延长反应时间 (C)充入过量N2 (B)充入过量H2 (D)升高温度

4、合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应 而制得,其中一步的反应为:

CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)(正反应放 热),下列措施中,能提高CO转化率的 是( BC )
A、增大压强 B、降低温度

C、增大水蒸气浓度

D、增大CO浓度

已知2SO2(g)+O2(g) 实验数据见表

2SO3 (g) △H<0其

450℃ 。 (1) 应选用的温度是______ 常压 ,理由是 因为常压下 SO2 (2) 应采用的压强是______ ___________ 的转化率已经很高,若采用较大压强, SO2的转化率 __________________________________________ 提高很少,但需要的动力更大,对设备的要求更高。 _______________________________________。



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