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第4节化学反应条件优化——工业合成氨第二章化学反应的方向、限度与速率饥饿的苏丹十九大报告指出，到2020年我国现行标准下农村贫困人口实现脱贫，贫困县全部摘帽，解决区域性整体贫困，做到脱真贫、真脱贫。弗里茨·哈伯：给人类带来丰收和喜悦的天使，用空气制造面包的圣人。德国化学家哈伯带领科研团队也从1902年开始研究氨的直接合成。但直到1913年才实现了氨的工业生产。自1784年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨。合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)假如你是一个合成氨工厂的老板，对工业生产你会考虑哪些问题？加快化学反应速率单位时间内产率高增大化学反应限度原料的利用率要高另外还要考虑生产中的能源消耗、原料来源、设备条件、环境保护等因素。反应的可能性要强化学反应的方向性【一、反应的自发性】合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K时:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数K为４.１×１０６（mol·L-1)-2△H-T△S=-33.14kJ·mol-10自发结论：降低温度、增大压强有利于氨的合成二、化学反应限度1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%n（N2）:n（H2）N2、H2体积比对产率的影响结论：N2、H2体积比为1:3时平衡混合气中NH3含量最高【三、化学反应速率】你认为可以通过控制哪些条件来提高合成氨的反应速率？提高速率：增大浓度、增大压强、升高温度、加入催化剂【三、化学反应速率】实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请你根据关系式分析：各物质的浓度对反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？浓度：增c(N2）、c(H2)，减小c(NH3)1、浓度的要求：①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。综合以上两点:根据反应器钢材质量及综合指标，一般选择中压生产。2、压强的选择条件△E/KJ/molk(催)/k(无)无催化剂3353.4×1012(700k)铁触媒催化剂167使用催化剂可使合成氨的反应速率提高上万亿倍。ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)3、催化剂的选择700K催化剂活性T/k外部条件工业合成氨的适宜条件压强温度催化剂浓度工业生产中的选择一般选择中压：20～50MPa适宜温度700K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在中压的工艺条件下，合成氨厂出口气中的氨含量一般为13%——14%，那么剩余的N2和H2该如何处理呢？P69合成氨工业生产流程示意图我国合成氨工业的发展情况：我国合成氨工业开始于20世纪30年代，1949年新中国成立时合成氨厂只有3家，年生产能力不到0.6万吨。经过几十年的努力，我国已经拥有多种原料、不同流程的大、中、小合成氨厂1000多家；到2016年，合成氨年产量达到8000多万吨，从生产能力和产量上都位居世界前列。为了提高合成氨的生产能力，还可以在哪些方面做进一步改进？③寻找抗毒能力强的新型催化剂①寻找更耐压的金属材料②仿生固氮酶课题的突破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促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、温度的催化剂活性的影响等【总结】1909年，哈伯成为第一个从空气中制造出氨的科学家，使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面，加速了世界农业的发展，因此获得1918年瑞典科学院诺贝尔化学奖。一战中，哈伯担任德国化学兵工厂厂长时负责研制、生产氯气、芥子气等毒气，并使用于战争之中，造成近百万人伤亡，遭到了美、英、法、中等国科学家们的谴责。1934年1月29日，哈伯因突发心脏病逝世于瑞士的巴塞尔。哈伯的功与过：1．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700K左右的高温（D）采用2×107～5×107Pa的压强练一练：BC2、合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应而制得，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，能提高CO转化率的是（）A、增大压强B、降低温度C、增大CO浓度D、增大水蒸气浓度BD3、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，其中氨一般占15%，所以生产氨的工业的效率都很低(B)由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来氨的产率很高(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进行(D)合成氨工业采用20MPa----50MPa，是因该条件下催化剂的活性最好B4.已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H＜0。催化剂V2O5在400～500℃时催化效果最好。(1)应选用的温度是______。(2)应采用的压强是______，理由是____________________________________________________________________________________________450℃常压因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。5、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%N2+3H22NH3起始6181变化X3X2X（6-X）:（1+2X）=9:8X=1.5H2转化率=×100%=25%1.5×318