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1、第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨,1.了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件； 2.了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产的选择与理论分析的差异； 3.通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和 化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。,19世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到将来的 粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家 能实现大气固氮将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。德国化学家哈伯在1913年实现了合成氨的工业生产，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”
2、。,弗里茨哈伯,利用氮气、氢气为原料合成氨的工业化生产曾是一个 较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历 了150年的时间。 反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，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 工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？,应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？,化学反应的方向,化学反应的限度,化学反应的速率,合成氨反应能否自发进行,怎样能使化学平衡向合成氨方向移动,怎样能提高合成氨反应速率,适宜的合成氨条件,工艺流程,化学工艺学,高压对设备材质、加工 制造的要求、温度对催 化剂活性的影响等,合成氨反应有哪些特点？
3、,可逆反应,正反应气体体积缩小,正反应是放热反应,熵减小的反应S0,N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H-92.4 kJ/mol (1体积) (3体积) (2体积),合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 已知298 K时: H=-92.2 kJmol-1 S =-198.2 JK-1mol-1 合成氨反应的平衡常数K=4.1106（molL-1)-2 请根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行？,H-TS =-92.2 kJmol-1+298 K198.2 10-3 kJk-1mol-1,因为H-TS0，,298 K下合成氨反应能
4、自发进行,已知增加N2的量能增大H2的转化率，结合方程式判断：工业合成氨时加入氮气的量是越多越好吗？,N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H 92.4 kJ/mol,不是。经研究，工业合成氨采用N2:H2=1:2.8效果较好。,1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,NH3%,N2:H2,不同条件下平衡混合气中氨的体积分数,思考相同温度时增大压强，反应的程度如何变化？,反应的程度越大。,不同条件下平衡混合气中氨的体积分数,思考相同压强时升高温度，反应的程度如何变化？,反应的程度越小,高压,高温,使用,高压,低温,不影响,根据外界条件
5、对反应速率和反应限度的影响， 请为工业合成氨选择合适的条件：,N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.4 kJmol-1,思考：温度是否越高越好？ 压强是否越大越好？,考虑催化剂的活性,考虑设备的耐压能力,N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H-92.4 kJmol-1,让我好好想想？,适宜温度（500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,21075107 Pa,催化剂活性大,1.一般要使用催化剂： 2.选择合适的温度： 3.选择合适的压强：,既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要综合考虑设备等。,该温度是催化剂活
6、性最大的温度；,加快化学反应速率，提高生产效率，提高经济效益；,工业上利用某可逆反应生产产品有哪些注意事项？,例.(双选)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（ ） A.不断将NH3分离出来 B.使用催化剂 C.采用700 K左右的高温 D.采用21075107 Pa的压强,BC,合成氨工业简述：,1.主要流程：,原料气制取净化 压缩 合成分离液氨,2.原料气制取：,制氮气:,（造气）,（净化）,（合成氨）,制氢气:,合成氨的压缩机,催化剂的催化能力一般称为催化活性。催化剂因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，称为催化剂的中毒。催化剂中毒后，往往会完
7、全失去活性，严重影响生产的正常进行。例如，对于合成氨反应中的铁催化剂，O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。,催化剂中毒,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；1982年达到1 021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。 近几年来，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
8、低、产量高，技术和设备都很先进。,我国合成氨工业的发展情况：,工业合成氨的适宜条件:,(速率较快,转化率适中，催化剂活性最大),温度: 700 K,压强: 21075107 Pa（200500 atm）,催化剂：铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂),浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来， 且向循环气中不断补充N2、H2（1:2.8)。,1.能使合成氨反应进行程度增大的方法是（ ） A.升高温度 B.降低压强 C.使用催化剂 D.及时分离出氨气,D,2.（双选）合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应制得，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
9、，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CO浓度,BC,C,3.一定温度下，向一个容积为2 L的事先加入催化剂的真空 密闭容器中通入1 mol N2和3 mol H2，3 min后测得容器的 压强是起始压强的0.9倍，在此时间内，用H2的量的变化来 表示该反应的平均速率是（ ） A.0.2 molL-1min-1 B.0.6 molL-1min-1 C.0.1 molL-1min-1 D.0.3 molL-1min-1,4.在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（ ） A.延长反应时间 B.充入过量H2 C.充入过量N2 D.升高温度 5.下列反应
10、达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高： X2(g)+2Y2(g) X2Y4 (g)（正反应为放热反应）( ) A.高温 高压 B.低温 低压 C.高温 低压 D.低温 高压,C,D,6.关于氨的合成工业的下列说法正确的是（ ） A.从合成塔出来的气体中氨一般占15%，所以工业生产氨的效率都很低 B.由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，因此总的来说工业合成氨的产率很高 C.合成氨工业的反应温度控制在500 左右，目的是使平衡向正反应方向移动 D.合成氨工业采用20 MPa50MPa的压强，是因为该条件下催化剂的活性最好,B,7.（双选）对于反应: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)
11、，下列 判断正确的是( ) A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3 B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动 C.平衡时, SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的两倍 D.平衡时, SO2浓度必定等于O2浓度的两倍,BC,8.在一定条件下,合成氨反应达到平衡后,混合气体中NH3的 体积占25%,若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体 体积与原反应物体积之比是( ) A.1/5 B.1/4 C.1/3 D.1/2,A,9.（双选）在一定条件下，将N2和H2的混合气体通入固定 容积的密闭容器中进行合成氨反应：N2+3H2 2NH3(正 反应为放热反应)下列图像表示正确的是（ ）,AC,1.01105 Pa,1.01106 Pa,10.在合成氨反应中，入口气体体积比N2:H2:NH3为6:18:1， 出口气体体积比为9:27:8，则H2的转化率为_。,25%,H2的转化率= 100%=25%,=,x=1.5,解： 设N2转化量为x N2 + 3H2 2NH3 起始 6 18 1 转化 x 3x 2x 平衡 6-x 18-3x 1+2x,相信真诚多于虚假，相信美好多于丑恶，我们的心情会畅快很多。,
