化学反应条件的优化-工业合成氨

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1、化学反应条件的优化—工业合成氨教学目标：了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产的选择与理论分析的差异;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。教学重点、难点：应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件[阅读资料]19世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转

2、化为可被利用的形式，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。德国化学家哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一,他终于在1913年实现了合成氨的工业生产，满足了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”。利用氮、氢为原料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，约经历了150年的时间。化学反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)看起来十分的简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合

3、成氨工厂为什么需要那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？要实现合成氨的工业化生产，必须从化学热力学和化学动力学两个方面选择合成氨的反应条件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合成氨反应的特点：①可逆反应③正反应气体体积缩小④正反应是放热反应②熵减小的反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)⊿H＝-92.4kJ/mol

4、(1体积)(3体积)(2体积)不同条件下平衡混合气中氨的含量(体积分数)(原料其中N2和H2的体积比是1:3)31.457.579.892.698.81×108Pa23.142.265.284.295.46×107Pa9.119.138.264.286.42×107Pa4.510.625.152.081.51×107Pa13.826.447.071.089.93×107Pa0.050.10.42.215.31×105Pa4000C6000C5000C3000C2000C压强氨含量温度讨论：能否用

5、过量氮气提高氢气转化率？工业合成氨是否采用此方法？1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2使氨生产快（速率分析）使氨生成多(平衡分析）压强温度催化剂高压高温使用高压低温不影响选择适宜生产条件的原则：(1)既要注意外界条件对二者影响一致性,又要注意对二者影响的矛盾性。(2)既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性,又要注意催化剂的活性对温度的限制。(3)既要注意理论上的需要,又要注意实际可能性。适宜条件:(速率较快,转化率适中催化剂活性最大)温度:7

6、00K压强:2×10～5×10Pa（200～500atm）77(有利于氨的合成,对动力、材料强度、设备制造要求适中)催化剂：铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂)使反应物在较低温度下较快的进行反应。浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，且向循环气中不断补充N2、H2（1:2.8)。例1、能使合成氨反应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D例2、一定温度下，向一个容积为2升的事先加入催化剂的真空密闭容器中通入1molN2和3molH2，3min后测得容器的

7、压强是起始压强的0.9倍，在此时间内，用H2的量的变化来表示该反应的平均速率是（）A、0.2mol.L-1.min-1B、0.6mol.L-1.min-1C、0.1mol.L-1.min-1D、0.3mol.L-1.min-1C二、合成氨工业简述：1、主要流程：原料气制取净化压缩合成分离液氨2、原料气制取：空气压缩碳液态空气N2(先逸出)物理方法蒸发CO2(+N2)N2化学方法分离出CO2制氮气:（造气）（净化）（合成氨）制氢气:水蒸气CO+H2CO2+H2H2炽热碳H2O(气)分离出CO2C(

8、S)+H2O(g)CO(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)我国合成氨工业的发展情况：解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高的国家之一。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，