《优课系列高中化学鲁科选修4 2.4化学反应条件的优化——工业合成氨 课件(13).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《优课系列高中化学鲁科选修4 2.4化学反应条件的优化——工业合成氨 课件(13).ppt（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 爆炸 勒夏特列 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 德国皇帝 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
2、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 原理探讨原理探讨 实际论证实际论证 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 K下合成氨反应能否自发进行 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 N2 3H2
3、 2NH3 正反应放热 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 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 0 110203060100 20015 381 586 489 995 498 8 3002 252 064 271 084 292 6 4000 425 138 247 065 279 8 5000 110 619 126 442 257 5 6000 054 59 113 823 131 4 压强 MPa NH3含 量 温度 温度升高 氨的含量降低 压强增大 氨的含量增大 氢氮比 二 合成氨反应的速率 1 结合影响反应速率的
4、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 讨论 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 合成氨的反应 正反应为 放热反应 分析角度 反应应条件 使合成氨的速 率快 使平衡混合物中 氨的含量高 压压强 温度 催化剂剂 高压高压 高温低温 使用不影响 合成氨的反应应正反应为应为 放热热反应应 分析角度 反应应条件 使合成氨的速 率快 使平衡混合物 中氨的含量高 压压强 温度 催化剂剂 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
5、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 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 交流交流 研讨研讨 研讨讨的内容 研讨讨的问题问题 学习习小组组 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 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 压强怎么选 分析 合成氨反应是体积缩小的气体反应 增 大压强既可以
6、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 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 温度怎么选择 分析 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 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 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 铁触媒催化能力 用不用催化剂 催化剂对合成氨反应速率的影响 条件 E KJ molK 催 k 无 无催化剂剂3
7、35 3 4 1012 100k 使用Fe催化剂剂167 使用催化剂可使合成氨反应 的速率提高上万亿倍 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 0 11020 30 60100 20015 3 81 586 489 995 4 98 8 3002 252 064 271 084 2 92 6 4000 425 138 247 065 2 79 8 500 0 110 619 1 26 4 42 2 57 5 6000 054 59 113 823 1 31 4 压强
8、 MPa NH3含 量 温度 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 C N2 C1 5 H2 C 1 NH3 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 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
9、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也 可以减小生成物的浓度使平衡正向移动 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 外部条件工业业合成氨的适宜条件 压压强 温度 催化剂剂 浓浓度 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 合成氨厂的实地照片 合成氨工业流程 阅读教材 回答下列问题
10、1 用图式表示合成氨的流程 2 如何制得原料气 3 为什么要对原料气净化 如何净化 原料气 的制取 净 化 压 缩 合 成 分 离 液氨 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 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 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 小 结 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
11、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 C 1 有如下平衡体系 CO g 2H2 g CH3OH g 正反应为放热反应 为了增加甲醇的产 量 应采取的正确措施是 A 高温 高压 B 低温 低压 C 适宜的温度 高压 催化剂 D 高温 高压 催化剂 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
12、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 3 密闭容器中的可逆反应 密闭容器中的可逆反应 CO NOCO NO2 2 CO CO 2 2 NO NO 正反应为放热反应 正反应为放热反应 达到平衡后 只改变下列达到平衡后 只改变下列 的一个条件 填写有关的空白的一个条件 填写有关的空白 增大容器的体积 平衡增大容器的体积 平衡 c c NONO 2 2 将 将 反应混合物的颜色反应混合物的颜色 升高温度 平衡升高温度 平衡 体系的压强 体系的压强 加入催化剂 平衡加入催化剂 平衡 NONO 2 2 的物质的量的物质的量 通入通入OO 2 2 反应体系的颜色 反应体系的颜色 NONO的物质的物质 的量的量 通入通入N N 2 2 体系压强 体系压强 平衡 平衡 不移动不移动减小减小 变浅变浅 逆向移动逆向移动不变不变 不移动不移动不变不变 先变深 后变浅先变深 后变浅 先减少 后增多先减少 后增多 增大增大不移动不移动
