化学反应条件的优化工业合成氨

第1页共7页第2章第4节化学反应条件的优化——工业合成氨编写：唐河一高中王书成【学习目标】1．能从化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件（理论指导）；2．了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法（了解实际上选择条件的思路、方法、结果），体验实际生产条件的选择与理论分析的差异；3．通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。4.补充：了解合成氨生产的主要流程。【学习重点、难点】利用化学反应速率与化学平衡原理分析合成氨的适宜条件（实际上选择条件的思路、方法、结果）[学习过程](NH4)2CO3简称碳铵，在农业上是一种化肥，它是怎样制取的？2NH3+CO2(少量)+H2O=(NH4)2CO3NH4NO3简称硝铵，溶于水时吸热，可作制冷剂、化肥，它是怎样制取的？NH3在工业上又是怎样生产的？。利用N2、H2合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，经历了大约130年的时间。为啥经历了这么长时间？这里面涉及到对反应条件的优化、对所用材料的选择、对催化剂的研制等一系列问题。我们主要学习：化学反应条件的优化。理论对合成氨的指导作用（反应限度、速率）一、合成氨反应的限度交流·研讨：1.N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。已知298K时：△H=-92.2kJ·mol-1，△S=-198.2J·K-1·mol-1。298K时合成氨反应能否自发进行？△H－T△S＝－92.2kJ·mol－1＋298K×0.1982kJ·K－1·mol－1＝－92.2+298×0.2kJ·mol－1＜0，故该反应在298K时能自发进行。第2页共7页又知，该反应在298K时的平衡常数K为：4.1×106（mol·L-1）－2。当平衡常数K＞105时，反应进行得较完全。可见：298K即250C时反应达到平衡时进行得很完全。交流·研讨：2.请利用化学平衡移动的知识分析：N2(g)+3H2(g)2NH3(g),放热反应，什么条件有利于氨的合成？由平衡移动原理可知，欲提高氨的产率（使氨生成多），应该采用高压、低温的条件。从浓度的角度来看：5000C、不同压强时，H2、N2的体积比和平衡时NH3的含量有如下的关系：从图上看，什么时候，NH3的含量最高？下图是温度、压强、平衡时氨的物质的量百分数（体积分数）的关系图。图中反映了哪些信息？第3页共7页合成氨反应在298K时能自发进行，反应限度也很大,但是反应速率几乎为零。二、合成氨反应的速率交流·研讨：1、什么条件能提高反应速率？升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂可以提高合成氨反应的速率。2.在特定条件下，合成氨反应的速率：=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)。怎样控制氨气的浓度来提高反应速率？三、合成氨的适宜条件总结：理论对合成氨适宜条件的指导作用（反应限度、速率）提高平衡转化率提高化学反应速率反应特点措施反应特点措施1.放热低温1活化能高使用催化剂2.分子数减小高压2．低温时反应速率低高温3.可逆反应3.原料气浓度增加能提高反应率增大原料气的浓度、高压4.氨气浓度增加能降低反分离出氨气第4页共7页应速率合成氨工业的实际条件及选择的理由1、压强有低压（约100atm）、中压、高压①理论上用高压，②实际上要根据钢材质量及综合指标（如压强越大，动力消耗就越高，成本增加）来选择。在中压条件下，合成氨出气口的氨含量一般为13%～14%。2、温度700K左右（4270C）①理论上温度对于限度和速率的影响相互矛盾②实际上用高温，是为了用较高的速率获得适当的转化率。另外700K时催化剂的活性最大。3、使用铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂)做催化剂①使反应物在较低温度下较快的进行反应，②能缩短达到平衡的时间。使用催化剂时必须注意其活性温度范围，并防止催化剂“中毒”。4、原料气N2、H2物质的量之比为1:2.8①N2、H2物质的量之比为1:3时转化率最高，但反应速率不大，②N2、H2物质的量之比为1:2.8时，通过提高N2的含量来提高N2的吸附速率，使反应速率增大。5、分离出NH36、其它：未转化的合成气循环使用等。说明：1、合成氨的反应式通常写为N2+3H2催化剂高温高压2NH32、原料气的制备（见69页）：（1）制N2:空气液化，再汽化，N2先挥发，从而除去O2。或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。（2）制H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。以天然气为原料时，反应可简单表示为：CH4＋H2O＝CO＋3H2CO＋H2O催化剂加热CO2＋H2传统方法：C(s)+H2O(g)高温CO(g)+H2(g)，CO(g)+H2O(g)催化剂加热CO2(g)+H2(g)3、合成氨的简易流程图为第5页共7页4、根据理论对合成氨的指导（见下表），请你预测合成氨的可能方向是什么？理论指导使氨生产快（速率分析）使氨生成多(平衡分析）压强高压高压温度高温低温催化剂使用不影响（1）寻找、制造耐高压的材料、设备（2）研究、制造在低温下反应的催化剂。研制仿生固氮酶催化剂。自然界中的根瘤菌在常温、常压下就可以把空气中的N2固定下来。思考1.在合成氨的适宜条件中，①500℃②采用2×107Pa～5×107Pa③使用催化剂。其中符合勒夏特列原理的是什么？答：符合平衡移动原理的只有压强。练习题1、能使合成氨进行程度增大的方法是A、升高温度B、降低压强C、使用催化剂D、及时分离出氨气第6页共7页2、合成氨时可以提高H2转化率的措施是A、延长反应时间B、充入过量H2C、充入过量N2D、按比例充入原料气3、关于氨的合成，下列说法正确的是A、从合成塔出来的气体中氨一般占15%，所以合成氨的工业效率很低B、由于N2、H2可循环使用，所以原料气的转化率很高C、合成氨的温度控制在700K左右，目的是使平衡向正反应方向移动D、合成氨采用一定的压强，是因为该条件下催化剂的活性最好4、下列事实不能用勒夏特列原理解释的是A．温度过高对合成氨不利B．合成氨在高压下进行是有利的C．高温及加入催化剂都能使合成氨的反应速率加快D．增加N2的浓度可提高平衡混合物中NH3的含量5．在一定条件下，合成氨反应达到平衡状态，此时，再进行如下操作，平衡不发生移动的是A．恒温、恒压时，充入NH3B．恒温、恒容时，充入N2C．恒温、恒压时，充入HeD．恒温、恒容时，充入He6．如下图所示是工业合成氨的简单流程示意图：沿X路线回去的物质是A．N2和H2B．催化剂C．N2D．H2△7.可用如图表示的是()选项反应纵坐标甲乙ASO2与O2在同温、同体积容器中反应SO2的转化率2molSO2、1molO22molSO2、2molO2B2molSO2与1molO2在同温、可变体积容器中反应SO2的转化率1×106Pa1×105PaC相同质量N2、H2，在同一固定容积容器中反应氨气的浓度400℃500℃D体积比1∶3的N2、H2在体积可变的恒压容器中反应氨气的浓度活性高的催化剂活性一般的催化剂8．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的压强第7页共7页9、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、增大水蒸气浓度D、增大CO浓度△10、在一定条件下，将N2和H2的混和气体通入固定容积的密闭容器中进行合成氨反应：N2+3H22NH3(正反应为放热反应)，下列图像表示正确的是AB、C、D、△11.对于反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，下列判断正确的是A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动C.平衡时,SO2消耗速率必定等于O2的生成速率的两倍D.平衡时,SO2浓度必定等于O2浓度的两倍.△12.在一定条件下,合成氨反应达到平衡后,混合气体中NH3的体积占25%,若反应前后条件保持不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的之比是A、51B、41C、31D、21△13、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________。解N2+3H22NH3起始6181变化X3X2X（6-X）:（1+2X）=9:8X=1.5H2转化率=（4.5÷18）×100%=25%1D2CD3B4C5D6A7C8BC9BC10AC11BC12A