化學(xué)《化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨》課件(魯科版選修)

1、化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨教學(xué)目標(biāo) ： 了解如何應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的適宜條件 了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)原理分析化工生產(chǎn)條件的思路和方法，體驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)的選擇與理論分析的差異; 通過(guò)對(duì)合成氨適宜條件的分析，認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)： 應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理選擇合成氨的適宜條件 閱讀資料閱讀資料 19 19世紀(jì)以前，一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的化學(xué)家指出：考世紀(jì)以前，一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的化學(xué)家指出：考慮到將來(lái)的糧食問(wèn)題，為了使子孫后代免于饑餓，慮到將來(lái)的糧食問(wèn)題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于科學(xué)家能實(shí)現(xiàn)大氣固氮。因此我們必須寄希望于科學(xué)家能實(shí)

2、現(xiàn)大氣固氮。因此將空氣中豐富的氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)化為可被利用的將空氣中豐富的氮固定下來(lái)并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式，在形式，在2020世紀(jì)初成為一項(xiàng)受到眾多科學(xué)家注目世紀(jì)初成為一項(xiàng)受到眾多科學(xué)家注目和關(guān)切的重大課題。德國(guó)化學(xué)家哈伯就是從事合和關(guān)切的重大課題。德國(guó)化學(xué)家哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗(yàn)和理論研究的化學(xué)家之一成氨的工藝條件試驗(yàn)和理論研究的化學(xué)家之一, ,他終于在他終于在19131913年實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿(mǎn)足年實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿(mǎn)足了了2020世紀(jì)人口由世紀(jì)人口由3030億增至億增至6060億對(duì)糧食的需求，因億對(duì)糧食的需求，因此人們贊揚(yáng)哈伯是此人們贊揚(yáng)哈伯是“用空氣制造面包的圣人

3、用空氣制造面包的圣人”。利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個(gè)較難的課題，從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投個(gè)較難的課題，從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了產(chǎn)，約經(jīng)歷了150150年的時(shí)間。年的時(shí)間。 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)N N2(g)2(g)+3H+3H2(g)2(g) 2NH 2NH3(g)3(g)看起來(lái)十分的簡(jiǎn)單，看起來(lái)十分的簡(jiǎn)單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷如此漫長(zhǎng)的過(guò)為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷如此漫長(zhǎng)的過(guò)程？合成氨工廠(chǎng)為什么需要那么龐大而復(fù)雜的生程？合成氨工廠(chǎng)為什么需要那么龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件？產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件？要實(shí)

4、現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，必須從化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面選擇合成氨的反應(yīng)條件化學(xué)反應(yīng)的方向化學(xué)反應(yīng)的限度化學(xué)反應(yīng)的速率合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行怎樣能促使化學(xué)平衡向合成氨方向移動(dòng)怎樣能提高合成氨反應(yīng)速率適宜的合成氨條件工藝流程化學(xué)工藝學(xué)高壓對(duì)設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度的催化劑活性的影響等合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)：合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)： 可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)正反應(yīng)氣體體積縮小正反應(yīng)氣體體積縮小正反應(yīng)是放熱反應(yīng)正反應(yīng)是放熱反應(yīng)熵減小的反應(yīng)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H -92.4kJ/mol(1體積體積) (3體積體積) (2體積體積)不同條件下平衡混合氣中氨的含量不同條件下平衡混合氣中氨的含量(

5、體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)) (原料其中原料其中N2和和H2的體積比是的體積比是1:3 )31.457.579.892.698.81108Pa23.142.265.284.295.46107Pa9.119.138.264.286.42107Pa4.510.625.152.081.51107Pa13.826.447.071.089.93107Pa0.050.10.42.215.3 1105Pa 4000C 6000C 5000C 3000C 2000C壓壓強(qiáng)強(qiáng)氨氨含含量量溫溫 度度討論：討論：能否用過(guò)量氮?dú)馓岣邭錃廪D(zhuǎn)能否用過(guò)量氮?dú)馓岣邭錃廪D(zhuǎn)化率？工業(yè)合成氨是否采用此方法？化率？工業(yè)合成氨是否采用此方法？1

6、:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2 使氨生產(chǎn)快使氨生產(chǎn)快（速率分析）（速率分析）使氨生成多使氨生成多(平衡分析）平衡分析） 壓強(qiáng)壓強(qiáng) 溫度溫度 催化催化劑劑高壓高壓高溫高溫使用使用高壓高壓低溫低溫不影響不影響選擇適宜生產(chǎn)條件的原則：選擇適宜生產(chǎn)條件的原則：(1)(1)既要注意外界條件對(duì)二者影響一既要注意外界條件對(duì)二者影響一致性致性, ,又要注意對(duì)二者影響的矛盾性。又要注意對(duì)二者影響的矛盾性。(2)(2)既要注意溫度、催化劑對(duì)速率影既要注意溫度、催化劑對(duì)速率影響的一致性響的一致性, ,又要注意催化劑的活性又要注意催化劑的活性對(duì)溫度

7、的限制。對(duì)溫度的限制。(3)(3)既要注意理論上的需要既要注意理論上的需要, ,又要注意又要注意實(shí)際可能性。實(shí)際可能性。適宜條件適宜條件:(速率較快速率較快,轉(zhuǎn)化率適中催化劑活性最大轉(zhuǎn)化率適中催化劑活性最大)溫度溫度: 700K壓強(qiáng)壓強(qiáng): 210 510 Pa（200500atm）77(有利于氨的合成有利于氨的合成,對(duì)動(dòng)力、材料強(qiáng)度、對(duì)動(dòng)力、材料強(qiáng)度、設(shè)備制造要求適中設(shè)備制造要求適中)催化劑：鐵觸媒催化劑：鐵觸媒(以鐵為主體的多成分催化劑以鐵為主體的多成分催化劑) 使反應(yīng)物在較低溫度下較快的進(jìn)行反應(yīng)。使反應(yīng)物在較低溫度下較快的進(jìn)行反應(yīng)。濃度：將生成的氨及時(shí)從混合氣中分離出來(lái)，濃度：將生成的氨及

8、時(shí)從混合氣中分離出來(lái)， 且向循環(huán)氣中不斷補(bǔ)充且向循環(huán)氣中不斷補(bǔ)充 N2、H2（1:2.8)。 例1 、能使合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度增大的方法是（ ） A、升高溫度 B 、降低壓強(qiáng) C、使用催化劑 D 、及時(shí)分離出氨氣D 例2、一定溫度下，向一個(gè)容積為2升的事先加入催化劑的真空密閉容器中通入1molN2和3molH2，3min后測(cè)得容器的壓強(qiáng)是起始?jí)簭?qiáng)的0.9倍，在此時(shí)間內(nèi)，用H2的量的變化來(lái)表示該反應(yīng)的平均速率是（ ） A、0.2 mol.L-1.min-1 B 、 0.6 mol.L-1.min-1 C、0.1 mol.L-1.min-1 D、 0.3 mol.L-1.min-1 C二、合成氨工業(yè)

9、簡(jiǎn)述：二、合成氨工業(yè)簡(jiǎn)述：1、主要流程：、主要流程：原料氣制取原料氣制取 凈化凈化 壓縮壓縮 合成合成 分離分離 液氨液氨2、原料氣制?。涸蠚庵迫。嚎諝饪諝鈮嚎s壓縮碳碳液態(tài)空氣液態(tài)空氣 N2(先逸出先逸出) 物理方法物理方法蒸發(fā)蒸發(fā)CO2(+N2) N2 化學(xué)方法化學(xué)方法 分離出分離出CO2制氮?dú)庵频獨(dú)?（造氣）（凈化）（合成氨）制氫氣制氫氣:水蒸氣水蒸氣 CO+H2 CO2+H2 H2 熾熱碳熾熱碳H2O(氣氣)分離出分離出CO2 C(S)+H2O(g) CO(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) 解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠(chǎng)；解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不

10、大的合成氨廠(chǎng)； 19491949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.60.6萬(wàn)噸；萬(wàn)噸； 19821982年達(dá)到年達(dá)到1021.91021.9萬(wàn)噸，成為世界上產(chǎn)量最萬(wàn)噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。高的國(guó)家之一。1 1在合成氨工業(yè)中，為增加在合成氨工業(yè)中，為增加NHNH3 3的日產(chǎn)量，下列變的日產(chǎn)量，下列變化過(guò)程不能使平衡向右移動(dòng)的是（化過(guò)程不能使平衡向右移動(dòng)的是（ ）（A A）不斷將）不斷將NHNH3 3分離出來(lái)分離出來(lái)（B B）使用催化劑）使用催化劑（C C）采用）采用700K700K左右的高溫左右的高溫（D D）采用）采用2 210107 75 510107 7PaPa的壓強(qiáng)的壓強(qiáng)練一

11、練：練一練：BC2 2、合成氨所需的、合成氨所需的H H2 2可由煤和水蒸氣反應(yīng)可由煤和水蒸氣反應(yīng)而制得，其中一步的反應(yīng)為：而制得，其中一步的反應(yīng)為：COCO(g)(g)+H+H2 2O O（g g） COCO2(g)2(g)+H+H2(g)2(g)（正反應(yīng)放（正反應(yīng)放熱），下列措施中，能提高熱），下列措施中，能提高COCO轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率的是（是（ ）A A、增大壓強(qiáng)、增大壓強(qiáng) B B、降低溫度、降低溫度 C C、增大水蒸氣濃度、增大水蒸氣濃度 D D、增大、增大COCO濃度濃度練一練：練一練：BC3、在合成氨反應(yīng)中，入口氣體體、在合成氨反應(yīng)中，入口氣體體積比積比 N2:H2:NH3 為為6:

12、18:1，出口，出口氣體體積比為氣體體積比為9:27:8，則，則H2的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化率為化率為_(kāi)。25% N2+3H2 2NH3起始起始 6 18 1變化變化 X 3X 2X6-X : 1+2X=9:8 X=1.5H2轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率= 100%=25%1.5318練一練練一練：4、在合成氨時(shí)，可以提高、在合成氨時(shí)，可以提高H2轉(zhuǎn)化率的措施是（轉(zhuǎn)化率的措施是（ ）(A)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間 (B)充入過(guò)量充入過(guò)量H2(C)充入過(guò)量充入過(guò)量N2 (D)升高溫度升高溫度C5、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說(shuō)法正確的是、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說(shuō)法正確的是 （ ）(A)(A)從合成塔出來(lái)的氣體，其中氨一般占從合成塔

13、出來(lái)的氣體，其中氨一般占15%15%，所，所以生產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低以生產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低(B)(B)由于由于NHNH3 3易液化，易液化，N N2 2、H H2 2可循環(huán)使用，則總的說(shuō)可循環(huán)使用，則總的說(shuō)來(lái)氨的產(chǎn)率很高來(lái)氨的產(chǎn)率很高(C)(C)合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500 500 左右，目左右，目的是使平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行的是使平衡向正反應(yīng)方向進(jìn)行(D)(D)合成氨工業(yè)采用合成氨工業(yè)采用2020 MPa - - 50MPa 50MPa ，是因該條，是因該條件下催化劑的活性最好件下催化劑的活性最好B6、在一定條件下，將、在一定條件下，將N N2 2和和H H

14、2 2的混和氣體通入固定容積的的混和氣體通入固定容積的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)：密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3 ( (正正反應(yīng)為放熱反應(yīng)反應(yīng)為放熱反應(yīng)) )下列圖像表示正確的是：下列圖像表示正確的是： （ ）A C (A) (B) (C) (D)7.下列反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，哪種條件下生成物下列反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，哪種條件下生成物的含量最高：的含量最高：X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g) （正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）( )A.高溫高溫 高壓高壓 B.低溫低溫 低壓低壓 C.高溫高溫 低壓低壓 D.高壓高壓 低溫低溫D8.對(duì)于反應(yīng)對(duì)于反應(yīng): 2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g)下列判斷正確的是下列判斷正確的是( )A.2體積體積SO2和足量和足量O2反應(yīng)反應(yīng),必定生成必定生成2體積體積SO3 B.其他條件不變其他條件不變,增大壓強(qiáng)增大壓強(qiáng),平衡向右移動(dòng)平衡向右移動(dòng)C.平衡時(shí)平衡時(shí)