合成氨工業(yè)哈伯ppt課件

1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者哈伯(FritzHaber),人物簡(jiǎn)介,哈伯(FritzHaber)，德國化學(xué)家。1868年12月9日生于德國的布勞斯雷。先后在柏林大學(xué)和海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)。1891年他在夏洛頓堡高等工業(yè)學(xué)院獲得博士學(xué)位。1896年，任巴登大學(xué)講師。1905年哈伯在慕尼黑出版了工業(yè)氣體反應(yīng)熱力學(xué)一書，書中闡述了他對(duì)氮、氫合成反應(yīng)平衡關(guān)系的研究。1909年7月，哈伯成功地建立了每小時(shí)能產(chǎn)生80克氨的實(shí)驗(yàn)裝置。為合成氨工業(yè)奠定了基礎(chǔ)。1918年，哈伯因研制合成氨作出重大貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1943年，哈伯在應(yīng)聘去以色列丹尼爾西夫研究所任職途中(有文獻(xiàn)說是去美國途中)，于1月29日在瑞士的巴塞爾病逝，年僅66歲。,對(duì)合成氨的探索,19世紀(jì)初，人們就認(rèn)識(shí)到氮肥在農(nóng)業(yè)中的巨大作用。當(dāng)時(shí)含氮化合物主要來自智利的硝酸鈉礦，有限的礦產(chǎn)資源使得含氮化合物的價(jià)格十分高，不能滿足工農(nóng)業(yè)的需要。大氣的五分之四都是氮，固氮，成為一項(xiàng)受到眾多科學(xué)家關(guān)注重大課題。當(dāng)時(shí)最吸引人的設(shè)想有兩種：,K(298K)=3.841031,K(298K)=4.1106,N2+3H22NH3,當(dāng)時(shí)人們選擇的人工固氮方法主要是電弧法合成NO,效率很低,不能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。,能不能使用合成氨反應(yīng)進(jìn)行固氮？,自18世紀(jì)以來，許多人致力于合成氨反應(yīng)的研究，但都無功而返。1900年，法國化學(xué)家勒夏特列通過理論計(jì)算，認(rèn)為氮?dú)夂蜌錃饪梢灾苯踊仙砂薄Ｔ趯?shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中發(fā)生了爆炸，他覺得這個(gè)實(shí)驗(yàn)有危險(xiǎn)就放棄了。后來查明他失敗的原因是他所用的混合氣體中含有氧氣。稍后，著名物理化學(xué)家能斯特經(jīng)過計(jì)算得出結(jié)論，認(rèn)為合成氨的工業(yè)化難以實(shí)現(xiàn)，理由是合成氨反應(yīng)很難自發(fā)進(jìn)行。后來才發(fā)現(xiàn)，他在計(jì)算時(shí)誤用了一個(gè)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，以致得出錯(cuò)誤的結(jié)論。由于能斯特在物理化學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威性，人工合成氨的研究陷入低潮。（勒夏特列，法國化學(xué)家，勒夏特列原理)（能斯特，德國物理化學(xué)家，獲得1920年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）,哈伯的研究,能斯特結(jié)論的公布給同時(shí)研究合成氨的哈伯很大的打擊。但是通過比較發(fā)現(xiàn)，他所得的某些數(shù)據(jù)與能斯特有所不同。哈伯沒有盲從權(quán)威，而是依靠實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)，終于驗(yàn)證了能斯特的計(jì)算錯(cuò)誤，合成氨反應(yīng)是能發(fā)生的！,已知常溫（298K）時(shí):H=-92.2kJmol-1S=-198.2JK-1mol-1,N2+3H22NH3,HTS-33.1kJmol-10,K(298K)4.1106,哈伯經(jīng)過重新計(jì)算，糾正了能斯特的錯(cuò)誤，指出常溫時(shí)合成氨反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，而且平衡常數(shù)很大，可以認(rèn)為進(jìn)行完全。,究竟是什么原因阻礙了合成氨反應(yīng)的應(yīng)用呢？,研究化學(xué)反應(yīng)的工業(yè)化應(yīng)用，除了方向和限度，反應(yīng)的快慢必須考慮。工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)綜合考慮反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)的速率，取得最佳效益。,影響合成氨反應(yīng)速率的內(nèi)因是什么？,氮?dú)獾姆€(wěn)定性，NN很難斷裂，反應(yīng)所需的活化能特別高。,可以采取什么措施破壞NN，加快合成氨的反應(yīng)速率？,升高溫度,哈伯進(jìn)行的試驗(yàn)表明，合成氨的溫度必須在1000以上，才能達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)所要求的反應(yīng)速率?？墒钱?dāng)溫度升高到1000時(shí)，氨的產(chǎn)率僅為0.012%，不如低溫時(shí)的產(chǎn)率，哈伯的研究陷入困境：溫度過高：氨的產(chǎn)量低降低溫度：反應(yīng)緩慢,如何解決反應(yīng)速率與轉(zhuǎn)化率的矛盾？降低反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速率還有其他途徑嗎？,使用催化劑,1905年底，哈伯確定了氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w在高溫高壓及催化劑的作用下合成氨。但是什么樣的高溫高壓條件最佳？以什么樣的催化試劑最好？哈伯帶領(lǐng)研究小組在四年內(nèi)進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗(yàn)和計(jì)算，終于在1909年取得了鼓舞人心的成果，這就是在600的高溫，20MPa和鋨作為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為6%8%的合成氨。,百年前的哈伯合成氨實(shí)驗(yàn)裝置,在一位來自英國的學(xué)生洛森諾的協(xié)助下，哈伯成功地設(shè)計(jì)出一套適合于高壓實(shí)驗(yàn)的裝置和合成氨的工藝流程，這流程是：在熾熱的焦炭上方吹入水蒸汽，可以獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混和氣體。其中的一氧化碳在催化劑的作用下，進(jìn)一步與水蒸汽反應(yīng)，得到二氧化碳和氫氣。然后將混和氣體在一定壓力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了較純凈的氫氣。同樣將水蒸汽與適量的空氣混和通過紅熱的炭，空氣中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，從而得到了所需要的氮?dú)狻?的轉(zhuǎn)化率不算高，會(huì)影響生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。怎么辦？哈伯認(rèn)為若能使反應(yīng)氣體在高壓下循環(huán)加工，并從這個(gè)循環(huán)中不斷地把反應(yīng)生成的氨分離出來，則這個(gè)工藝過程是可行的。于是他成功地設(shè)計(jì)了原料氣的循環(huán)工藝。這就是合成氨的哈伯法。,哈伯的發(fā)明震動(dòng)了全球化學(xué)界，并產(chǎn)生劃時(shí)代效應(yīng)。他的發(fā)明使大氣中的氮變成生產(chǎn)氮肥的、永不枯竭的廉價(jià)來源，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴土壤的程度減弱。1919年，瑞典科學(xué)院考慮到哈伯發(fā)明的合成氨對(duì)全球經(jīng)濟(jì)巨大的推動(dòng)作用，頒發(fā)給哈伯1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)!,對(duì)哈伯的評(píng)價(jià),合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿足了20世紀(jì)人口快速增長對(duì)糧食的需求，因此人們贊揚(yáng)哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。也有人說他是魔鬼，給人類帶來災(zāi)難、痛苦和死亡。,在第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時(shí)，軍事專家曾預(yù)測(cè)：由于含氨化合物的短缺，大戰(zhàn)將在一年之內(nèi)結(jié)束。到了1913年的第一次世界大戰(zhàn)時(shí)，哈伯已為德國建成了無數(shù)個(gè)大大小小的合成氨工廠，為侵略者制造了數(shù)百萬噸炸藥因而延長了這場(chǎng)殃禍全球的世界大戰(zhàn)，這就是第一次世界大戰(zhàn)德國為什么能堅(jiān)持這么久的原因。一次大戰(zhàn)爆發(fā)后，哈伯研究所被德國軍方指定研究軍需品為戰(zhàn)爭(zhēng)服務(wù)，首先研制出軍用毒氣氯氣罐。德軍統(tǒng)帥在哈伯的建議下，在伊普雷地區(qū)揭開了世界第一次化學(xué)戰(zhàn)的帷幕。致使5千多人死亡，一萬五千多人中毒致傷?；瘜W(xué)武器在一次大戰(zhàn)中造成近130萬人的傷亡，占大戰(zhàn)傷亡總?cè)藬?shù)的4.6%，哈伯則成了制造化學(xué)武器的鼻祖，人類的罪人。1919年，瑞典科學(xué)院考慮到哈伯發(fā)明的合成氨對(duì)全球經(jīng)濟(jì)巨大的推動(dòng)作用，決定給哈伯頒發(fā)1918年唯一的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。消息傳來，全球嘩然。一些科學(xué)家指責(zé)這一決定玷污了科學(xué)界。但也有一些科學(xué)家認(rèn)為，科學(xué)總是受制于政治，科學(xué)史上許多發(fā)明既可用來造福人類，也可用于毀滅人類文明；哈伯發(fā)明合成氨，可以將功抵過。面對(duì)接踵而來的掌聲與唾罵，哈伯平靜地說：“我是罪人，無權(quán)申辯什么，我能做的就是盡力彌補(bǔ)我的罪行?！?。,合成氨工業(yè)的進(jìn)一步研究和發(fā)展,1931年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者卡爾.博施，其主要貢獻(xiàn)之一是改進(jìn)了哈伯首創(chuàng)的高壓合成氨注，將哈伯發(fā)明的合成氨研究成果付諸實(shí)施大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，改革了合成氨的工業(yè)體系。找到了合適的氧化鐵型催化劑，研制建造出能耐高溫和高壓并能長期使用和操作簡(jiǎn)便的合成氨裝置。用哈伯-博施法生產(chǎn)合成氨，在世界各