第四节合成氨条件的选择

第四节合成氨条件的选择[日期：2007-04-05]来源：作者：[字体：大中小]【目的和要求】1、认识合成氨反应的特点，能应用化学反应速率和化学平衡理论选择合成氨的适宜条件。2、了解合成氨生产的简单流程。【方法指导和教材延伸】一、合成氨适宜条件的选择：合成氨反应92.4KJ是一个正反应气体体积缩小且放热的可逆反应。要提高合成氨的产率，对反应条件的选择，需要结合影响化学反应速率及化学平衡的条件和其他因素综合考虑，各方面兼顾。化学反应速率化学平衡移动方向适宜条件的选择增加反应物浓度增大正反应速率平衡向正反应方向移动N2、H2及浓度之比为1:3并及时补充N2和H2。减少生成物浓度减小逆反应速率平衡向正反应方向移动使气态NH3变为液态NH3，及时从平衡混合物中分离出来。增大压强增大正、逆反应速率平衡向生成氨的方向移动考虑生产中动力，设备材料等因素一般采用帕升高温度增大正、逆反应速率平衡向逆反应方向移动结合考虑催化剂的最佳催化活性，通常控制温度500℃使用催化剂增大正、逆反应速率不影响化学平衡，但减少达到平衡的时间选用铁触媒二、合成氨生产的主要流程：总结：（1）原料气制备N2——分离液态空气。H2——燃料与水蒸气：（2）合成氨反应的特点：①可逆反应；②因N2结构稳定，反应难于进行；③正反应是气体体积减小的反应；④正反应为放热反应。（3）工业生产要求：①反应速率快；②NH3产量高。（4）解决方法——即条件的选择①为加快反应速率：C（反）↑P↑T↑加适当催化剂。②NH3产率高：即应使平衡正向移动。C（反）↑P↑T↓综合分析：1增加与的体积比，并不断分离出，同时补充和的浓度。2增大压强为设备钢板能承受的程度，一般为～。原料气N2、H2循环压缩（N2、H2）净化压缩合成塔分离器催化剂△高温催化剂△x有催化剂的合成塔液氨冷凝分离器热交换器压缩机N2（1体积）H2（3体积）3由于催化剂活性的需要应掌握在500℃。【典型例题分析】例1、合成氨所需的氢气由煤与水发生反应制得，其中一步反应为：，要使CO转化率提高，可采用下列措施中的（）A、增大水蒸气的浓度B、增大CO的浓度C、降低温度D、增大压强分析：A选项，增大水蒸气的浓度可使平衡向正反应方向移动，使更多的CO转化为生成物，因此CO的转化率提高，H2O(g)本身的转化率降低。B选项，增大CO的浓度也可使平衡向正反应方向移动，但CO本身的转化率降低。C选项，降低温度，可使平衡向放热反应即正反应方向移动，故CO的转化率提高。D选项，由于该反应是反应前后气体体积不变的可逆反应，故增大压强，平衡不会移动，CO的转化率不变。正确答案为AC。例2、工业上用氨和二氧化碳反应合成尿素：已知下列物质在一定条件下均能与水反应产生和，是合成氨的原料，供合成尿素用。若从充分利用原料的角度考虑，选用（填序号）物质作原料较好。作出选择的依据是（A）（B）石脑油（、）（C）（D）焦碳有关的反应方程式如下：分析：根据氨与二氧化碳合成尿素的化学方程式可知，而由，合成，因此原料利用率最高。（A）（B）石脑油：（C）：（Ｄ）焦炭：因此应选择B。解答：BB生成的与物质的量之比为，与合成氨，合成尿素中该比值最接近，原料利用最充分。说明：工业生产中，按化学方程式中系数比投入原料，可使原料充分利用，如、合成氨，按1：3投料，、都充分利用。有时也将廉价原料过量投入，使另外的原料充分利用。例3、有平均式量为8.5的氢氮混合气体，通过合成塔后出来的混合气体的平均式量为9.4，求H2的转化率。分析：由反应前的混合气体的平均式量，可计算出进入合成塔的氢气和氮气的混合比，然后根据合成氨反应方程式及H2、N2、NH3起始、转化、平衡时物质的量的关系和反应后混合气体平均式量，可计算出合成塔出来的混合气体中H2、N2、NH3的体积比，并根据H2的转化物质的量，计算出H2的转化率。解：设进入合成塔的氢气物质的量分数为x，氮气物质的量分数为1-x。则2g/mol·x+28g/mol(1-x)=8.5g/mol解之x=0.751-x=0.25∴设起始H2时3mol，N2为1mol，氮气转化的物质的量为y3H2+N22NH3起始物质的量（mol）310转化物质的量（mol）3yy2y平衡物质的量（mol）3-3y1-y2y∴∴y=0.1915molH2转化率【同步练习】一、选择题：（每小题有1-2个选项符合题意）1、工业上合成氨时一般采用500℃左右温度，其原因是：①适当提高氨的合成速率，②提高H2转化率；③提高氨的产率；④催化剂在500℃时活性最大（）A、①B、①②C、②③④D、①④2、在合成氨工业中，实现下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是（）A、为增加NH3的日产量，不断将NH3分离出来B、为增加NH3的日产量，使用催化剂C、为增加NH3的日产量，采用500℃左右的高温D、为增加NH3的日产量，采用的压强3、对于可逆反应N2+3H22NH3+Q（Q0），下列说法中正确的是（）A、达到平衡时，NH3的生成速率等于NH3的分解速率B、达到平衡时，反应物和生成物的浓度一定相等C、达到平衡时，若加入N2，在重新达到平衡时，NH3的浓度比原平衡时增大，氢气的浓度比原平衡时减小D、达到平衡时，若升高温度，加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以平衡向逆反应方向移动。4、在密闭容器中，进行合成氨反应，达到平衡后，将平衡气体系中的各物质的浓度都增加到原来的2倍，则产生的结果是（）A、平衡向正反应方向移动B、平衡向逆反应方向移动C、平衡不发生移动D、氨的质量分数增大5、在合成氨反应中，开始时N2、H2的体积比为1:3，在密闭容器中反应达到平衡时，生成NH3的体积分数为20%，则平衡时N2的体积分数为（）A、10%B、20%C、40%D、50%6、在带有活塞的密闭容器中压入5molH2和5molN2，在某温度下经反应生成2molNH3，若此时容器的压强不变，则容器体积是反应前的（）A、2倍B、1.5倍C、0.8倍D、0.5倍7、将V1LH2和V2LN2在一定条件下发生反应，达到平衡后，混合气体总体积为V3L（气体之积均在相同条件下测定），则生成的NH3的体积是（）A、（V1+V2-V3）LB、（V1+V2+V3）LC、(V1+V2-2V3)LD、(V3-V1-V2)L8、已知常温常压下，N2(g)和H2(g)反应生成2molNH3(g)放出92.4KJ热量，在同温同压下向密闭容器中通入1molN2和3molH2，达到平衡时放出Q1KJ；向另一体积相同的容器中通入0.5molN2和1.5molH2和1molNH3，相同条件下达到平衡时放出热量为Q2KJ，则下列关系式正确的是（）A、2Q2=Q1=92.4B、Q2Q192.4C、Q1Q292.4D、Q1=Q292.49、下图是合成氨的简要流程示意图：沿x路线回去的物质是（）A、N2和H2B、催化剂C、NH3D、H210、工业上用以合成氨的原料气——氢气，来源之一是取自石油气，如用丙烷在一定条件下与水反应：C3H8+H2OCO2+H2。按此原理1mol丙烷最多可制氨气约为（）A、4molB、10molC、2.7molD、66mol二、填空题：11、合成氨工业中，选择的适宜条件是，合成氨时，原料气必须净化的原因是，若用焦炭、水、空气为原料制氨时，有关化学方程式如下：CO+H2CO+H2OCO2+H2N2+3H22NH3则用一定量的焦炭，制得最大量的NH3时，其物质的量之比NC:=。12、在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化成SO3；2SO2+O22SO3+Q（Q0）已知常压下生产，达到平衡时SO3体积分数为91%，试回答：（1）在生产中常用过量的空气是为了。（2）加热到400℃—500℃是由于。（3）实际工业生产中压强常用（填加压或常压）原因是。（4）原料气必须净化的原因是。（5）尾气中SO2必须回收是因为。13、在标准状况下，将67.2LN2和44.8LH2混合，在一定条件下使之反应合成氨气，反应达到平衡，测得反应后的混合气体中氨的体积分数是30%（1）平衡时反应混合物在标准状况下的总体积是。（2）平衡混合物中N2的体积分数是。三、计算题：14、在一密闭容器中，用等物质的量A和B发生如下反应A(g)+2B(g)2C(g)反应达到平衡时，若混合气体中A和B的物质的量之和与C的物质的量相等，则此时A的转化率为多少？15、将SO2和O2的体积比为1:3混合后，在500℃条件下通过催化剂，发生如下反应：2SO2+O22SO3，当反应达到平衡时，在同温同压下测得反应前和反应后的混合气体的密度比为71:80，则SO2的转化率为多少？【练习答案】1、D2、B3、AC4、AD5、B6、C7、A8、B9、A10、D11、适宜条件，略；防止催化剂中毒；3:412、（1）空气资源丰富，增大空气浓度即增大O2浓度，使平衡向正反应方向移动，提高SO2的转化率。（2）提高反应速率，缩短达到平衡时间，且催化剂在该温度下活性最大。（3）常压下SO3的体积分数已达91%，增加压强虽然SO3的体积分数可提高，但成本及对设备要求都高。（4）防止催化剂中毒。（5）SO2循环使用，降低成本、减少对环境的污染。13、86.2L62.96%14、40%15、90%