化学反应条件的优化工业合成氨

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)2CO3
NH4NO3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 = -92.2 kJ·mol-1，△S = -198.2 J·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+298×0.2 kJ·mol－1＜0，故该反应在298K时能自发进行。

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？
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： = k c (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
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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1:2.8
①N2、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NH3
6、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2NH3
2、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＋3H2 CO＋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
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（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N 2固定下来。

思考
1.在合成氨的适宜条件中，①500℃ ②采用2×107 Pa ～5×107 Pa ③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
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H2
C、充入过量N2
D、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N2
C．恒温、恒压时，充入He D．恒温、恒容时，充入He
6．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
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
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9、合成氨所需的H 2可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为： CO(g)+H 2O （g ） CO 2(g)+H 2(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N 2和H 2的混和气体通入固定容积的密闭容器中进行合成氨反应：N 2+3H 2
2NH 3 (正反应为放热反应)，下列图像表示正确的是
A
B 、
C 、
D 、
△11.对于反应: 2SO 2(g)+O 2 (g) 2SO 3 (g)，下列判断正确的是 A.2体积SO 2和足量O 2反应,必定生成2体积SO 3 B .其他条件不变,增大压强,平衡向右移动
C .平衡时, SO 2消耗速率必定等于O 2的生成速率的两倍 D.平衡时, SO 2浓度必定等于O 2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NH 3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 、5
1 B 、4
1 C 、31 D 、2
1
△13、在合成氨反应中，入口气体体积比 N 2:H 2:NH 3 为6:18:1，出口气体体积比为9:27:8，则H 2的转 化率为________。

解 N 2 + 3H 2 2NH 3 起始 6 18 1 变化 X 3X 2X
（6-X ） :（ 1+2X ）=9:8 X=1.5 H 2转化率= （4.5÷18）×100%=25%
1D 2CD 3B 4C 5D 6A 7C 8BC 9BC 10AC 11BC 12A。