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文檔簡介
1、合成氨條件的選擇第四節(jié) 合成氨條件的選擇問題1 請同學(xué)們寫出合成氨的化學(xué)反應(yīng)方程式,并分析這個反應(yīng)有什么特點?特點:a、可逆反應(yīng)b、正反應(yīng)為放熱反應(yīng)c、正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)。(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))N2+3H2 2NH3催化劑問題2 要提高合成氨的生產(chǎn)效益,具體應(yīng)從哪 些方面來考慮?要使氨生成得更快(即提高單位時間里氨的產(chǎn)量) 化學(xué)反應(yīng)速率問題要使氨生成得更多(即提高平衡混合物里氨的含量) 化學(xué)平衡問題提高合成氨的生產(chǎn)效益討論 根據(jù)外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率的影響,說明要使合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率增大,應(yīng)采取哪些措施?應(yīng)用化學(xué)平衡移動原理,說明要提高平衡混合物中氨氣的含量,應(yīng)采取哪些措施?合成氨反應(yīng)
2、N2+3H2 2NH3(正反應(yīng)為放熱反應(yīng))使NH3生成得快(從反應(yīng)速率分析)使NH3生成得多(從化學(xué)平衡分析)壓強溫度催化劑濃度目的選擇條件高壓高溫使用催化劑增大反應(yīng)物濃度高壓低溫?zé)o影響增大反應(yīng)物濃度 減小生成物濃度請同學(xué)們對比下表(課本表2-2)的實驗數(shù)據(jù),檢查自己的理論推斷是否正確。分別從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個角度分析合成氨的合適條件。 結(jié) 論從反應(yīng)速率的角度看:溫度越高、壓強越大,化學(xué)反應(yīng)越快, 使用合適的催化劑,反應(yīng)加快,單位時間內(nèi)生成的NH3越多;從化學(xué)平衡的角度看:高壓、低溫,平衡時生成物NH3的含量(體積分?jǐn)?shù))高。討論1、既然增大壓強可提高反應(yīng)速率,又可提高氨的含量,那么在合
3、成氨工業(yè)中壓強是否越大越好?2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動,那么在合成氨工業(yè)中溫度是否越低越好?3、催化劑對化學(xué)平衡沒有影響,在合成氨工業(yè)中是否需要使用催化劑?一、合成氨的適宜條件提示 綜合考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動的原理,再根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)特點和實際需要,選擇合成氨的適宜條件。討論從表2-2數(shù)據(jù)表明,即使在500C和30MPa的條件下,平衡混和物中氨的含量僅達26.4%,即轉(zhuǎn)化率仍不夠大,為了使平衡向生成氨的方向移動,提高N2、H2的轉(zhuǎn)化率,還可以采取哪些措施?不斷補充H2,N2;及時移走NH3使用催化劑:可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率,提高生產(chǎn)效率,也提高了經(jīng)濟效益;合成氨的適宜條
4、件選擇合適的溫度:500左右,提高反應(yīng)速率,又是合成氨催化劑的活性溫度;選擇合適的壓強:20MPa50MPa,有利于氨的合成,該壓強下進行生產(chǎn),對動力、材料、設(shè)備等來說正合適。濃度:將氨氣液化后及時分離出來,所得原料氣(過量N2、H2)循環(huán)使用,并及時補充N2、H2返回討論9返回討論10合成氨的化學(xué)反應(yīng)原理 N2+3H2 2NH3鐵觸媒 500C20MPa-50MPa合成氨工業(yè)的主要流程:合成氨生產(chǎn)示意圖小結(jié)合成氨的適宜條件壓強:20MPa-50MPa溫度:500C左右催化劑:鐵觸媒濃度:將氨氣液化后及時分離出來,所得原料氣(過量N2、H2)循環(huán)使用,并及時補充N2、H2N2+3H2 2NH3
5、鐵觸媒 500C 20MPa-50MPa合成氨的反應(yīng)原理:思考題練習(xí)題背景資料鞏固練習(xí)1.對于合成氨的反應(yīng)來說,使用催化劑和施加高壓,下列敘述中正確的是( )A.都能提高反應(yīng)速率,都對化學(xué)平衡狀態(tài)無影響B(tài).都對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響,都不影響達到平衡狀態(tài)所用的時間C.都能縮短達到平衡狀態(tài)的時間,只有壓強對化學(xué)平衡狀態(tài)有影響D催化劑能縮短反應(yīng)達到平衡狀態(tài)所用的時間,而壓強無此作用C返回小結(jié)2、在合成氨工業(yè)中,為增加NH3的日產(chǎn)量,下列變化過程不能使平衡向右移動的是:( )(A)不斷將NH3分離出來 (B)使用催化劑(C)采用500 左右的高溫(D)采用20 MPa- 50MPa的壓強B C3、在合成
6、氨時,可以提高H2轉(zhuǎn)化率的措施是( )(A)延長反應(yīng)時間 (B)充入過量H2(C)充入過量N2 (D)升高溫度C4、關(guān)于氨的合成工業(yè)的下列說法正確的是 ( )(A)從合成塔出來的氣體,其中氨一般占15%,所以生產(chǎn)氨的工業(yè)的效率都很低(B)由于NH3易液化,N2、H2可循環(huán)使用,則總的說來氨的產(chǎn)率很高(C)合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500 左右,目的是使平衡向正反應(yīng)方向進行(D)合成氨工業(yè)采用20 MPa - 50MPa ,是因該條件下催化劑的活性最好B5、在一定條件下,將N2和H2的混和氣體通入固定容積的密閉容器中進行合成氨反應(yīng):N2+3H2 2NH3 (正反應(yīng)為放熱反應(yīng))下列圖像表示正確的是
7、: ( )A C (A) (B) (C) (D)6.下列反應(yīng)達到平衡時,哪種條件下生成物的含量最高:X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g) (正反應(yīng)為放熱反應(yīng))( )A.高溫 高壓 B.低溫 低壓 C.高溫 低壓 D.高壓 低溫D7.對于反應(yīng): 2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g)下列判斷正確的是( )A.2體積SO2和足量O2反應(yīng),必定生成2體積SO3 B.其他條件不變,增大壓強,平衡向右移動C.平衡時, SO2消耗速率必定等于O2的生成速率 的兩倍D.平衡時, SO2濃度必定等于O2濃度的兩倍.BC返回小結(jié)背景資料哈伯和哈伯法合成氨 19世紀(jì)以前,一些有遠見的化學(xué)家指出:考
8、慮到將來的糧食問題,為了使子孫后代免于饑餓,我們必須寄希望于科學(xué)家能實現(xiàn)大氣固氮。因此將空氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式,在20世紀(jì)初成為一項受到眾多科學(xué)家注目和關(guān)切的重大課題。哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗和理論研究的化學(xué)家之一。返回前景利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個較難的課題,從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn),約經(jīng)歷了150年的時間。1795年有人試圖在常壓下進行氨合成,后來又有人在50個大氣壓下試驗,結(jié)果都失敗了。19世紀(jì)下半葉,物理化學(xué)的巨大進展,使人們認識到由氮、氫合成氨的反應(yīng)是可逆的,增加壓力將使反應(yīng)推向生成氨的方向:提高溫度會將反應(yīng)移向相反的方向,然而溫度
9、過低又使反應(yīng)速度過??;催化劑對反應(yīng)將產(chǎn)生重要影響。這實際上就為合成氨的試驗提供了理論指導(dǎo)。當(dāng)時物理化學(xué)的權(quán)威、德國的能斯特就明確指出:氮和氫在高壓條件下是能夠合成氨的,并提供了一些實驗數(shù)據(jù)。法國化學(xué)家勒夏特里第一個試圖進行高壓合成氨的實驗,但是由于氮氫混和氣中混進了氧氣,引起了爆炸,使他放棄了這一危險的實驗。在物理化學(xué)研究領(lǐng)域有很好基礎(chǔ)的哈伯決心攻克這一令人生畏的難題。返回前景哈伯首先進行一系列實驗,探索合成氨的最佳物理化學(xué)條件。在實驗中他所取得的某些數(shù)據(jù)與能斯特的有所不同,他并不盲從權(quán)威,而是依靠實驗來檢驗,終于證實了能斯特的計算是錯誤的。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)計出
10、一套適合于高壓實驗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氣。返回前景氮氣和氫氣的混和氣體在高溫高壓的條件下及催化劑的作用下合成氨。但什么樣的高溫和高壓條件為最佳?以什么樣的催化劑為最好?這還必須花大力氣進行探索。以楔而不舍的精神,經(jīng)過不斷的實驗和計算,哈伯終于在1909年取得了鼓舞人心的成果。這就是在600的高溫、200個大氣壓和鋨為催化劑的條件下,能得到產(chǎn)率約為8的合成氨。8的轉(zhuǎn)化率不算高,當(dāng)然會影響生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。哈怕知道合成氨反應(yīng)不可能達到象硫酸生產(chǎn)那么高的轉(zhuǎn)化率,在硫酸生產(chǎn)中二氧化硫氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率幾乎接近于100。怎么辦?哈伯認為若能使反應(yīng)氣體在高壓下循環(huán)加工,并從這個循環(huán)中不斷地把反應(yīng)生成的氨分離出來,則這個工藝過程是可行的。于是他成功地設(shè)計了原料氣的循環(huán)工藝。這就是合成氨的哈伯法。返回小結(jié)返回前景思考返回小結(jié) 在硫酸的工業(yè)生產(chǎn)中,有以下反應(yīng):2SO2(g)+2O2 (
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