四化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨第1頁(yè)/共65頁(yè)回顧一段歷史

……勒夏特列能斯特氨(NH3)第2頁(yè)/共65頁(yè)理論計(jì)算：高壓條件下：N2+3H2＝2NH3爆炸第3頁(yè)/共65頁(yè)德國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家能斯特理論計(jì)算：合成氨是不能進(jìn)行的?。。崃W(xué)數(shù)據(jù)第4頁(yè)/共65頁(yè)德國(guó)皇帝快找哈伯來(lái)?。?！我要成為百萬(wàn)富翁啦！啦！

1908年7月，哈伯在實(shí)驗(yàn)室用N2和H2在600℃，200個(gè)大氣壓下合成出氨，產(chǎn)率僅有2%德國(guó)化學(xué)家弗里茨·哈伯第5頁(yè)/共65頁(yè)

1911年到1913年，合成了1000噸液氨，并且用它制造出3500噸烈性炸藥TNT第6頁(yè)/共65頁(yè)第7頁(yè)/共65頁(yè)

討論1：假如你是一個(gè)工廠的廠長(zhǎng)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)你主要應(yīng)考慮哪些問(wèn)題？經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：

增大化學(xué)反應(yīng)速率單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)率高增大化學(xué)反應(yīng)限度原料的利用率高

另外還要考慮生產(chǎn)中的消耗能源、原料來(lái)源、設(shè)備條件、環(huán)境保護(hù)等因素。第8頁(yè)/共65頁(yè)提高綜合經(jīng)濟(jì)效益原理探討實(shí)際論證單位時(shí)間里提高合成氨的產(chǎn)量（從化學(xué)反應(yīng)的速率考慮）提高平衡混合物中氨的含量（從化學(xué)平衡的移動(dòng)考慮）從生產(chǎn)成本、動(dòng)力、材料、設(shè)備等對(duì)上述理論探討進(jìn)一步論證，以得出合理的結(jié)論。第9頁(yè)/共65頁(yè)一、合成氨反應(yīng)的限度1、請(qǐng)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？資料１：交流研討２、請(qǐng)利用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析什么條件有利于氨的合成？第10頁(yè)/共65頁(yè)討論2：請(qǐng)同學(xué)們寫出合成氨的化學(xué)反應(yīng)方程式，并討論說(shuō)明這個(gè)反應(yīng)方程式有什么特點(diǎn)？特點(diǎn)：a、可逆反應(yīng)b、正反應(yīng)放熱c、正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)N2+3H22NH3（正反應(yīng)放熱）第11頁(yè)/共65頁(yè)達(dá)到平衡時(shí)平衡混合物中NH3的含量（體積分?jǐn)?shù)）[V(N2):V(H2)=1:3]

0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4壓強(qiáng)/MPaNH3含量/%溫度/℃溫度升高，氨的含量降低壓強(qiáng)增大，氨的含量增大資料１：資料２：第12頁(yè)/共65頁(yè)氫氮比第13頁(yè)/共65頁(yè)二、合成氨反應(yīng)的速率1、結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素，

思考什么條件能使氨生成得快？升高溫度增大壓強(qiáng)增大反應(yīng)物濃度使用催化劑資料３：交流研討第14頁(yè)/共65頁(yè)

討論３：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)合成氨的特點(diǎn)，從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個(gè)角度來(lái)綜合分析，合成氨應(yīng)采取什么反應(yīng)條件？第15頁(yè)/共65頁(yè)合成氨的反應(yīng)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）

分析角度反應(yīng)條件使合成氨的速率快使平衡混合物中氨的含量高壓強(qiáng)溫度催化劑高壓高壓高溫低溫

使用不影響第16頁(yè)/共65頁(yè)合成氨的反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)

分析角度反應(yīng)條件使合成氨的速率快使平衡混合物中氨的含量高壓強(qiáng)溫度催化劑高壓高壓高溫低溫

使用不影響一致矛盾第17頁(yè)/共65頁(yè)

★既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？

★既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？思考

在合成氨工業(yè)中要使用催化劑，既然催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒有影響，為什么還要使用呢？第18頁(yè)/共65頁(yè)【交流·研討】

研討的內(nèi)容

研討的問(wèn)題

學(xué)習(xí)小組1、既然增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，那么在合成氨工業(yè)中壓強(qiáng)是否越大越好？壓強(qiáng)怎么定？①②③2、既然降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng)，那么生產(chǎn)中是否溫度越低越好？3、催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒有影響，在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為什么？溫度怎么選擇？

要不要催化劑？④⑤⑥⑦⑧⑨第19頁(yè)/共65頁(yè)

壓強(qiáng)怎么選？

分析：①合成氨反應(yīng)是體積縮小的氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動(dòng)，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。②但是壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動(dòng)力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。

綜合以上兩點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中壓強(qiáng)一般選擇在200～500大氣壓之間。思考問(wèn)題１第20頁(yè)/共65頁(yè)

溫度怎么選擇？

分析：①因?yàn)檎磻?yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫度有利于平衡正向移動(dòng)。

②可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，因此溫度也不宜太低。③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。

綜合以上因素，實(shí)際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）。思考問(wèn)題２第21頁(yè)/共65頁(yè)鐵觸媒催化能力資料4：第22頁(yè)/共65頁(yè)

用不用催化劑？思考問(wèn)題３第23頁(yè)/共65頁(yè)催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響條件△E/KJ/molK(催)/k(無(wú))無(wú)催化劑3353.4×1012(100k)使用Fe催化劑167

使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬(wàn)億倍。資料5：第24頁(yè)/共65頁(yè)

用不用催化劑？

實(shí)際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在500℃時(shí)活性最高。

分析:

經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快，原料的利用率要高，單位時(shí)間的產(chǎn)量要高。思考問(wèn)題３第25頁(yè)/共65頁(yè)

0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4壓強(qiáng)/MPaNH3含量/%溫度/℃思考問(wèn)題４即使在500℃和30MPa時(shí)，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？第26頁(yè)/共65頁(yè)實(shí)驗(yàn)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=κ

C(N2)

C1.5(H2)

C-1(NH3)資料6：N2+3H22NH3（正反應(yīng)放熱）第27頁(yè)/共65頁(yè)分析：保持一定的N2、H2濃度，減少氨氣的濃度，可以提高合成氨的效率和產(chǎn)量。實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時(shí)將氣態(tài)氨冷卻液化而分離出去；及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)夂蜌錃?，使其保持一定的濃度。思考?wèn)題４即使在500℃和30MPa時(shí)，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？第28頁(yè)/共65頁(yè)

還可以在哪些方面做進(jìn)一步的改進(jìn)？

增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動(dòng)。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比為1：3時(shí)，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的分壓比為1：2.8時(shí)，更能促進(jìn)氨的合成。

既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速率，而應(yīng)該……

第29頁(yè)/共65頁(yè)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

高壓200~500大氣壓

適宜溫度

700K左右使用鐵觸媒作催化劑液化氨并及時(shí)分離、補(bǔ)氮?dú)湓蠚庋h(huán)[n(N2):n(H2)=1:2.8]第30頁(yè)/共65頁(yè)小結(jié)1、合成氨的工業(yè)條件的選擇——反應(yīng)速率和化學(xué)平衡共同作用的結(jié)果2、選擇合成氨的條件時(shí)，既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速率，而應(yīng)該……

第31頁(yè)/共65頁(yè)小結(jié)：合成氨選擇適宜生產(chǎn)條件的原則1.既要注意外界條件對(duì)反應(yīng)影響的一致性，又要注意外界條件對(duì)反應(yīng)影響的矛盾性。2.既要注意溫度、催化劑對(duì)速率影響的一致性；又要注意催化劑的活性對(duì)溫度的限制。3.既要注意注意理論上的需要，又要注意

實(shí)際操作的可能性。第32頁(yè)/共65頁(yè)

工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品：

一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益；選擇合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度；選擇合適的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要考慮動(dòng)力、材料、設(shè)備等。

【小結(jié)·反思】第33頁(yè)/共65頁(yè)課堂反思

1、知識(shí)收獲：

2、方法收獲：

3、我的疑惑：第34頁(yè)/共65頁(yè)

設(shè)想合成氨的發(fā)展前景第35頁(yè)/共65頁(yè)化學(xué)模擬生物固氮

豆科植物根部長(zhǎng)有根瘤，根瘤菌中存在固氮酶，所以豆科植物在常溫常壓下才能將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨。固氮酶很怕氧，所以整個(gè)研究過(guò)程中必須嚴(yán)格無(wú)氧，這無(wú)疑給研究增加了難度。所以時(shí)至今日，固氮酶的固氮機(jī)理之謎還沒解開。

第36頁(yè)/共65頁(yè)如果小麥、水稻也能自行固氮，那將給人類帶來(lái)哪些方面的好處？

可以減少農(nóng)田施用氮肥的費(fèi)用，降低糧食的生產(chǎn)成本；可以減少氮肥的生產(chǎn)，既有利于節(jié)省能源，又有利于避免出現(xiàn)因過(guò)量施用氮肥而造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化。思考第37頁(yè)/共65頁(yè)合成氨廠的實(shí)地照片第38頁(yè)/共65頁(yè)回答下列問(wèn)題：1、合成氨生產(chǎn)時(shí)，為什么不采用盡可能高的壓強(qiáng)？通常采用2×107~5×107Pa的壓強(qiáng)？2、實(shí)際生產(chǎn)中，為什么溫度不能太高而采用適當(dāng)高溫（500℃）？3、在高溫高壓下，為什么還要使用催化劑？4、你認(rèn)為合成氨中，氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比為多少最佳，為什么？第39頁(yè)/共65頁(yè)思考題第40頁(yè)/共65頁(yè)合成氨生產(chǎn)示意圖第41頁(yè)/共65頁(yè)氫氮混和氣水冷器循環(huán)壓縮機(jī)合成氨簡(jiǎn)要流程示意圖液氨合成塔氨分離器第42頁(yè)/共65頁(yè)合成氨的工業(yè)流程1、壓縮機(jī)、合成塔2、熱交換過(guò)程3、氨的分離4、循環(huán)操作過(guò)程5、流程演示第43頁(yè)/共65頁(yè)氨的合成塔剖面圖返回第44頁(yè)/共65頁(yè)2.合成氨工業(yè)流程閱讀教材，回答下列問(wèn)題：1、用圖式表示合成氨的流程？2、如何制得原料氣？3、為什么要對(duì)原料氣凈化？如何凈化？原料氣的制取凈化壓縮合成分離液氨第45頁(yè)/共65頁(yè)解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬(wàn)噸，而1982年達(dá)到1021.9萬(wàn)噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。第46頁(yè)/共65頁(yè)改革開放以來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了一批年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠設(shè)備。我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的上海吳涇化工廠也是年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠。這些化肥廠以天然氣、石油、煉油氣等為原料，生產(chǎn)中能量損耗低、產(chǎn)量高，技術(shù)和設(shè)備都很先進(jìn)。第47頁(yè)/共65頁(yè)解放前我國(guó)只有兩家規(guī)模不大的合成氨廠，解放后合成氨工業(yè)有了迅速發(fā)展。1949年全國(guó)氮肥產(chǎn)量?jī)H0.6萬(wàn)噸，而1982年達(dá)到1021.9萬(wàn)噸，成為世界上產(chǎn)量最高的國(guó)家之一。上海吳涇化工廠是年產(chǎn)30萬(wàn)噸氮肥的大型化肥廠第48頁(yè)/共65頁(yè)南京化工企業(yè)的大型氮肥廠第49頁(yè)/共65頁(yè)第50頁(yè)/共65頁(yè)C課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練1.有如下平衡體系：

CO（g）+2H2（g）

CH3OH(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），為了增加甲醇的產(chǎn)量，應(yīng)采取的正確措施是（）

A.高溫、高壓B.低溫、低壓

C.適宜的溫度、高壓、催化劑

D.高溫、高壓、催化劑第51頁(yè)/共65頁(yè)2.下列事實(shí)中不能用勒夏特列原理來(lái)解釋的是（）A.工業(yè)制硫酸的過(guò)程中通入足量的空氣,可以提高SO2的產(chǎn)率B.加入催化劑有利于合成氨反應(yīng)C.高壓有利于合成氨反應(yīng)D.500℃左右比室溫更有利于合成氨反應(yīng)BD課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練第52頁(yè)/共65頁(yè)

3、密閉容器中的可逆反應(yīng)：CO+NO2CO2+NO（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）。達(dá)到平衡后，只改變下列的一個(gè)條件，填寫有關(guān)的空白：①增大容器的體積，平衡

，c（NO2）將

，反應(yīng)混合物的顏色

。②升高溫度，平衡

，體系的壓強(qiáng)

。

③加入催化劑，平衡

，NO2的物質(zhì)的量

。④通入O2，反應(yīng)體系的顏色

，NO的物質(zhì)的量

。⑤通入N2，體系壓強(qiáng)

，平衡

。不移動(dòng)減小變淺逆向移動(dòng)不變不移動(dòng)不變先變深，后變淺先減少，后增多增大不移動(dòng)課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練第53頁(yè)/共65頁(yè)100atm200atm300atmTN2轉(zhuǎn)化率0300atm200atm100atmTN2轉(zhuǎn)化率0TN2轉(zhuǎn)化率0100atm200atm300atmTN2轉(zhuǎn)化率0100atm200atm300atmABCDD4、能正確反應(yīng)出：N2

(g)+3H2

(g)2NH3

(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）的關(guān)系的是（）。課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練第54頁(yè)/共65頁(yè)5、在密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，N2+3H22NH3

達(dá)平衡后，當(dāng)其他條件不變時(shí)，將平衡體系中各物質(zhì)的濃度都增加到原來(lái)的2倍，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A、平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)B、達(dá)新平衡時(shí)，c(N2)與原平衡相比較大C、達(dá)新平衡時(shí)正、逆反應(yīng)速率均比原平衡大D、達(dá)新平衡時(shí)，混合氣體的密度變小D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練第55頁(yè)/共65頁(yè)6、某溫度下，下列反應(yīng)：S2Cl2(l)+Cl2(g)2SCl2(l)(正反應(yīng)放熱)（橙黃色）（鮮紅色）在密閉容器中達(dá)到平衡（氣、液共存），下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A、溫度不變，增大容器的體積，S2Cl2的轉(zhuǎn)化率降低B、溫度不變，縮小容器的體積，液體的顏色加深C、壓強(qiáng)不變，升高溫度，液體的顏色變淺D、體積不變，降低溫度，氯氣的轉(zhuǎn)化率降低D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練第56頁(yè)/共65頁(yè)7、在密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，N2+3H22NH3

達(dá)平衡后，若保持溫度不變，縮小容器容積，達(dá)到新的平衡時(shí)，下列敘述中正確的是（）①NH3的濃度增大，N2、H2的濃度減?、贜H3的物質(zhì)的量增大，N2、H2的濃度減小③H2的轉(zhuǎn)化率增大，N2的轉(zhuǎn)化率不變④混合氣體的濃度增大A、①③

B、②④

C、①②D、③④

B課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練第57頁(yè)/共65頁(yè)8、下列說(shuō)法正確的是（）A、在高溫下，將氯化銨晶體加入處于平衡狀態(tài)的合成氨反應(yīng)時(shí)，平衡不發(fā)生移動(dòng)B、在密閉容器中，當(dāng)CaCO3CaO+CO2處于平衡狀態(tài)時(shí)，再加入Na2O2固體，CaCO3的量會(huì)減少。C、有固體參加的可逆反應(yīng)達(dá)平衡后，若改變壓強(qiáng)，不會(huì)影響平衡的移動(dòng)D、在合成氨反應(yīng)中，使用催化劑能提高反應(yīng)速率，使氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，從而增加氨的產(chǎn)量B課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練第58頁(yè)/共65頁(yè)９、氨的合成反應(yīng)，生產(chǎn)中采用的適宜條件是（）。A、低溫、高壓、適當(dāng)?shù)拇呋瘎〣、高溫、常壓C、盡可能高溫、高壓D、適當(dāng)?shù)臏囟?、適當(dāng)?shù)母邏骸⑦m宜催化劑D課堂訓(xùn)練課堂訓(xùn)練第59頁(yè)/共65頁(yè)

１０．合成氨工業(yè)有下列流程：①原料氣制備；②氨的合成；③原料氣凈化和壓縮；④氨的分離。其先后順序?yàn)?

)A．①