第節(jié)工業(yè)合成氨

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化

——工業(yè)合成氨1學(xué)習(xí)目標(biāo)1.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。2.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)條件的選擇與理論分析的差異。3.通過對合成氨適宜條件的分析，認(rèn)識化學(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。2復(fù)習(xí)影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些?化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)平衡溫度氣體壓強(qiáng)催化劑濃度溫度越高,反應(yīng)速率越大壓強(qiáng)越大,反應(yīng)速率越大正催化劑加快反應(yīng)速率反應(yīng)物濃度越大,反應(yīng)速率越大升高溫度,平衡向吸熱方向移動增大壓強(qiáng),平衡向氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的方向移動催化劑對平衡無影響增大反應(yīng)物濃度,平衡正向移動3弗里茨·哈伯與合成氨

合成氨從第一次實(shí)驗(yàn)室研制到工業(yè)化投產(chǎn)經(jīng)歷了約150年的時(shí)間。德國科學(xué)家哈伯在10年的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了無數(shù)次的探索，單是尋找高效穩(wěn)定的催化劑，2年間他們就進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗(yàn)，測試了2500種不同的配方，最后選定了一種合適的催化劑--鐵，使合成氨的設(shè)想在1913年成為工業(yè)現(xiàn)實(shí)。弗里茨·哈伯：

4化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動力學(xué)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？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)高壓對設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度對催化劑活性的影響等5【思考】合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時(shí):△H=-92.2KJ·mol-1

△S=-198.2J·K-1·mol-1請根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？判據(jù)△H-T△S=-33.1KJ·mol-1

說明反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行6合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)：①可逆反應(yīng)③正反應(yīng)是放熱反應(yīng)④熵減小的反應(yīng)②正反應(yīng)氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H＝-92.2kJ/mol(1體積)(3體積)(2體積)

△S=-198.2J/K·mol【思考】7一、合成氨反應(yīng)的限度【交流·研討】請利用化學(xué)平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成．1:11:21:31:41:51:6NH3%N2:H28___溫度、___壓強(qiáng)有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動，N2、H2體積比為_____時(shí)平衡混合物中氨的含量最高。增大降低1：3一、合成氨反應(yīng)的限度總結(jié)9二、合成氨反應(yīng)的速率【交流·研討】1、你認(rèn)為可以通過控制那些反應(yīng)條件來提高合成氨反應(yīng)的速率？2、實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為：ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)請你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度對反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？3、請你根據(jù)下表所給的數(shù)據(jù)分析催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響條件△E/kJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167101.

溫度2.

壓強(qiáng)3.增大

濃度4.

催化劑二、合成氨反應(yīng)的速率總結(jié)升高增大反應(yīng)物增大N2、H2濃度,將氨及時(shí)從混合氣中分離出去使用11合成氨反應(yīng)中提高反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率的措施濃度催化劑溫度壓強(qiáng)速率分析平衡分析使NH3生產(chǎn)的快使NH3生產(chǎn)的多外界條件高壓高壓低溫高溫使用無影響增大N2、H2濃度增大濃度減小NH3濃度一致性矛盾性三、綜合分析合成氨的適宜條件：12合作與探究1.壓強(qiáng)越大速率越大，平衡轉(zhuǎn)化率越高，工業(yè)上為什么不采用更高的壓強(qiáng)？2.工業(yè)合成氨中為什么選用700K左右的溫度？3.工業(yè)合成氨中把氨氣從混合氣中分離出去的目的是什么？怎樣分離？4.合成氨廠出口中氨含量一般為13%-14%工業(yè)生產(chǎn)中采取怎樣措施提高N2、H2的轉(zhuǎn)化率的？壓強(qiáng)越大，所需動力越大，對設(shè)備的要求越高，經(jīng)濟(jì)效益越低該溫度下催化劑的活性最大，反應(yīng)速率較快提高N2、H2的轉(zhuǎn)化率

液化之后分離

循環(huán)操作—液化分離出NH3后將混合氣重新進(jìn)入合成塔不符合平衡移動原理13外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強(qiáng)溫度催化劑濃度研討的結(jié)果根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)適宜溫度700K左右使用鐵觸媒作催化劑N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8的投料比,氨及時(shí)從混合氣中分離出去14（1）壓強(qiáng)一定，溫度升高時(shí)，SO2轉(zhuǎn)化率下降，說明升溫有利逆反應(yīng)的進(jìn)行，所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；

【例1】（2）增大壓強(qiáng)對提高SO2轉(zhuǎn)化率無顯著影響，反而會增加成本；（3）否，否15【練習(xí)1】（2011山東高考28選編）CO可用于合成甲醇，反應(yīng)方程式為CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）實(shí)際生產(chǎn)條件控制在250℃、1.3×104kPa左右，選擇此壓強(qiáng)的理由是

在1.3×104kPa下，CO的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，如果增加壓強(qiáng)CO的轉(zhuǎn)化率提高不大，而生產(chǎn)成本增加，得不償失。16合成氨工業(yè)簡介：1、合成氨工業(yè)的流程原料氣的制取—凈化—壓縮—合成—分離—液氨

N2H22、原料氣的制取

N2：液化空氣，蒸發(fā)分離出氮?dú)?/p>

H2：用水和燃料在高溫下制取。如：C+H2O（g）CO+H2，CO+H2O（g）CO2+H2

17例題2.在一定條件下,合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡后,混合氣體中NH3的體積占25%,若反應(yīng)前后條件保持不變,則反應(yīng)后縮小的氣體體積與原反應(yīng)物體積的之比是()A1/5B1/4C1/3D1/2A合成氨的有關(guān)計(jì)算18【練習(xí)2】將aLNH3通過灼熱的裝有鐵觸媒的硬質(zhì)玻璃管后，氣體體積變?yōu)閎L（氣體體積均在同溫同壓下測定），該bL氣體中的NH3體積分?jǐn)?shù)是()A．