2-4化学反应条件的优化——工业合成氨概要.ppt

第2章 第四节 《 化学反应条件的优化 ——工业合成氨》,高中化学选修《化学反应原理》,回顾一段历史 ……,勒夏特列,能斯特,,氨(NH3),理论计算： 高压条件下：N2+3H2＝2NH3,德国物理学家、 化学家能斯特,理论计算：合成氨是不能进行的！！！,,热力学数据,快找哈伯来！！！,我要成为百万富翁啦！啦！,1908年7月，哈伯在实验室用N2和H2在600℃，200个大气压下合成出氨，产率仅有2%,德国化学家 弗里茨·哈伯,1911年到1913年，合成了1000吨液氨，并且用它制造出3500吨烈性炸药TNT,讨论1：假如你是一个工厂的厂长， 对工业生产你主要应考虑哪些问题？,经济效益和社会效益：,增大化学反应速率,单位时间内产率高,增大化学反应限度,原料的利用率高,,,另外还要考虑生产中的消耗能源、原料来源、设备条件、环境保护等因素提高综合经济效益,,,,原理探讨,实际论证,单位时间里提高合成氨的产量,（从化学反应的速率考虑）,提高平衡混合物中氨的含量,（从化学平衡的移动考虑）,从生产成本、动力、材料、设备 等对上述理论探讨进一步论证，以得出合理的结论一 、合成氨反应的限度,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？,,资料１：交流 研讨,２、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？,讨论2：请同学们写出合成氨的化学反应方程式，并讨论说明这个反应方程式有什么特点？,特点： a、可逆反应 b、正反应放热 c、正反应是气体体积减小的反应,N2+3H2 2NH3,（正反应放热）,达到平衡时平衡混合物中NH3的含量 （体积分数）[ V(N2):V(H2)=1:3 ],,二、合成氨反应的速率,1、结合影响反应速率的因素， 思考什么条件 能使氨生成得快？,升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂,,资料３：交流 研讨,,讨论３：请同学们根据合成氨的特点，从化学反应速率和化学平衡两个角度来综合分析，合成氨应采取什么反应条件？,高压,高压,高温,低温,使用,不影响,高压,高压,高温,低温,使用,不影响,,,一致,矛盾,★既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？,★既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？,思考,在合成氨工业中要使用催化剂，既然催化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么还要使用呢？,【交流·研讨】,1、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？,压强怎么定？,①②③,2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？,3、 催化剂对化学平衡的移动 没有影响， 在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？,温度怎么选择？,要不要催化剂？,④⑤⑥,⑦⑧⑨,压强怎么选？,分析： ①合成氨反应是体积缩小的气体反应，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，实际生产中压强一般选择在200～500大气压之间思考,问题１,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）思考,问题２,铁触媒催化能力,,资料4：,用不用催化剂？,思考,问题３,催化剂对合成氨反应速率的影响,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍资料5：,用不用催化剂？,实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在500℃时活性最高分析: 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思考,问题３,思考,问题４,即使在500℃和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大，还可采取什么办法？,,实验表明，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 =κ C(N2) C1.5(H2) C-1(NH3),资料6：,N2+3H2 2NH3,（正反应放热）,分析：保持一定的N2、H2浓度，减少氨气 的浓度，可以提高合成氨的效率和产量。

实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化而分离出去；及时补充氮气和氢气，使其保持一定的浓度思考,问题４,即使在500℃和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大，还可采取什么办法？,还可以在哪些方面做进一步的改进？,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的分压比为1：2.8时，更能促进氨的合成既不能片面地追求高转化率， 也不能只追求高反应速率，而应该……,,研讨的结果,高压 200~500大气压,适宜温度 700K左右,使用铁触媒作催化剂,液化氨并及时分离、补氮氢原料气循环[ n(N2):n(H2)=1:2.8 ],小 结,1、合成氨的工业条件的选择 ——反应速率和化学平衡共同作用的结果 2、选择合成氨的条件时，既不能片面地 追求高转化率，也不能只追求高反应速 率，而应该……,,小结：合成氨选择适宜生产条件的原则,1.既要注意外界条件对反应影响的一致性， 又要注意外界条件对反应影响的矛盾性2.既要注意温度、催化剂对速率影响的一致 性；又要注意催化剂的活性对温度的限制。

3.既要注意注意理论上的需要，又要注意 实际操作的可能性工业上利用某可逆反应生产产品： 一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； 选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大的温度； 选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等小结·反思】,,课 堂 反 思,1、知识收获：,2、方法收获：,3、我的疑惑：,设想合成氨的发展前景,,,化学模拟生物固氮,豆科植物根部长有根瘤，根瘤菌中存在固氮酶，所以豆科植物在常温常压下才能将空气中的氮气转化为氨 固氮酶很怕氧，所以整个研究过程中必须严格无氧，这无疑给研究增加了难度所以时至今日，固氮酶的固氮机理之谜还没解开如果小麦、水稻也能自行固氮，那将给人类带来哪些方面的好处？,,可以减少农田施用氮肥的费用，降低粮食的生产成本； 可以减少氮肥的生产，既有利于节省能源，又有利于避免出现因过量施用氮肥而造成的水体富营养化思考,合成氨厂的实地照片,回答下列问题： 1、合成氨生产时，为什么不采用尽可能高的压强？通常采用2×107~5 ×107Pa 的压强？ 2、实际生产中，为什么温度不能太高而采用适当高温（ 500℃ ）？ 3、在高温高压下，为什么还要使用催化剂？ 4、你认为合成氨中，氮气和氢气的体积比为多少最佳，为什么？,思考题,合成氨生产示意图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,氢氮混和气,水冷器,循环压缩机,,,,合成氨简要流程示意图,,,,,液氨,,合成塔,氨分离器,,,,,,,合成氨的工业流程,1、压缩机、合成塔 2、热交换过程 3、氨的分离 4、循环操作过程 5、流程演示,,氨的合成塔剖面图,返回,2.合成氨工业流程,原料气的制取,净化,压缩,合成,分离,液氨,,,,,,,解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。

1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一改革开放以来，我国引进了一批年产30万吨氮肥的大型化肥厂设备我国自行设计和建造的上海吴泾化工厂也是年产30万吨氮肥的大型化肥厂这些化肥厂以天然气、石油、炼油气等为原料，生产中能量损耗低、产量高，技术和设备都很先进解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展1949年全国氮肥产量仅0.6万吨，而1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一上海吴泾化工厂是年产30万吨氮肥的大型化肥厂,,南京化工企业的大型氮肥厂,C,2.下列事实中不能用勒夏特列原理来解释的是（ ）,A.工业制硫酸的过程中通入足量的空气,可以提高SO2的产率,B.加入催化剂有利于合成氨反应,C.高压有利于合成氨反应,D.500℃左右比室温更有利于合成氨反应,BD,3、密闭容器中的可逆反应：CO + NO2 CO2 + NO （正反应为放热反应）达到平衡后，只改变下列的一个条件，填写有关的空白：,①增大容器的体积，平衡 ，c（NO2）将 ， 反应混合物的颜色 。

②升高温度，平衡 ，体系的压强 ③加入催化剂，平衡 ，NO2的物质的量 ④通入O2，反应体系的颜色 ，NO的物质 的量 ⑤通入N2 ，体系压强 ，平衡 不移动,减小,变浅,逆向移动,不变,不移动,不变,先变深，后变浅,先减少，后增多,增大,不移动,D,D,B,8、下列说法正确的是（ ） A、在高温下，将氯化铵晶体加入处于平衡状态的合成氨反应时，平衡不发生移动 B、在密闭容器中，当CaCO3 CaO + CO2处于平衡状态时，再加入Na2O2固体，CaCO3的量会减少 C、有固体参加的可逆反应达平衡后，若改变压强，不会影响平衡的移动 D、在合成氨反应中，使用催化剂能提高反应速率，使氨的质量分数增加，从而增加氨的产量,B,９、氨的合成反应，生产中采用的适宜条件是（ ）A、低温、高压、适当的催化剂,B、高温、常压,C、尽可能高温、高压,D、适当的温度、适当的高压、适宜催化剂,D,１０．合成氨工业有下列流程：①原料气制备；②氨的合成；③原料气净化和压缩；④氨的分离。

其先后顺序为( ) A．①②③④ B．①③ ② ④ C．④③②① D．②③④①,B,,１１、促使化学平衡N2+3H2 2NH3+Q 向右移动的措施是（ ） A．通入惰性气体 B．通入N2 C．通NH3气 D．容器体积增大,,,B,,,1２．合成氨所需的氢气可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为CO + H2O CO2 + H2 （正反应放热），下列措施中，能提高CO转化率的是（ ） A．增大压强 B．降低温度 C．增大水蒸气浓度 D．增大浓度,,,B C,１３、在密闭容器中，放入5mol H2，3mol N2以合成氨，平衡时生成氨为2mol，则平衡时压强是起始时压强的（ ） A．1.3倍 B．2倍 C．0.75倍 D．0.25倍,C,１４.已知2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g) △H＜0其实验数据见表,(1) 应选用的温度是______应采用的压强是______，理由是___________ _________________________________________________________________________________。

450℃,常压,１５. 合成氨中，原料气（N2、H2及少量的CO、NH3混合气）在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜溶液来吸收原料气中的CO，其反应是：,（1）醋酸二氨合铜吸收CO的生产适宜条件应是__________ （2）吸收CO后的醋酸铜氨液经过适当处理又可再生，恢复其吸收的CO的能力以供循环使用醋酸铜氨液再生的生。