第三节 化学反应条件的优化——工业合成氨

【议一议】 议一议】 1．化学反应速率快，转化率一定高吗？ ． 学反应速率快，转化率一定高吗？ 答：化学反应速率是描述反应进行快慢的物理量，反应快但转化率 学反应速率是描述反应进行快慢的物理量， 定高，但是单位时间内产物的产量大。 不一 定高，但是单位时间内产物的产量大。 2．在合成氨的适宜条件中，①500℃ ．在合成氨的适宜条件中， ℃ ②采用2×107 Pa～5×107 Pa 采用 × ～ ×
1．化工生产适宜条件的选择原则 ． 化工生产选择适宜条件的目的是尽可能加快反应速率和提高反应进行的程 节约能源和成本。依据外界条件对反应速率及化学平衡影响的规律， 度，节约能源和成本。依据外界条件对反应速率及化学平衡影响的规律， 其原则是： 其原则是： (1)对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和部分 或全部 反 对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和部分(或全部 或全部)反 对任一可逆反应 应物的转化率。 应物的转化率。实际生产中常利用提高廉价易得原料的浓度来提高另一原 料的转化率，如合成氨中 过量、工业制硫酸中O 过量等。 料的转化率，如合成氨中N2过量、工业制硫酸中 2过量等。
1．合成氨反应是一个 放热 反应，同时也是气体的物质的量 减小 的反应。 ． 反应， 的反应。 因此， 温度、 压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动， 因此， 降低 温度、 增大 压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动， 在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为 1∶3 时，平衡混 在一定的温度、压强下，反应物氮气、 ∶ 合物中氨的含量最高。 合物中氨的含量最高。 2．在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为： ．在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为： v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3) 。 ＝
【例1】 下列事实不能用勒夏特列原理解释的是 】 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 ．增加 的浓度可提高平衡混合物中NH3的含量 解析： 夏特列原理即化学平衡移动原理。 解析：勒夏特列原理即化学平衡移动原理。引起化学平衡移动的因素主要是 浓度、压强、温度等， 浓度、压强、温度等，这些因素对化学平衡的影响都可用勒夏特列原理来概 括，催化剂不能引起化学平衡移动，只能引起反应速率的变化，勒夏特列原 催化剂不能引起化学平衡移动，只能引起反应速率的变化， 理不包括反应速率的变化规律。 理不包括反应速率的变化规律。 答案： 答案：C
1．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 ． 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， 不发生移动的是( 不发生移动的是 )
A．恒温、恒压时，充入NH3 B．恒温、恒容时，充入 2 ．恒温、恒压时，充入 ．恒温、恒容时，充入N C．恒温、恒压时，充入He ．恒温、恒压时，充入 D．恒温、恒容时，充入He ．恒温、恒容时，充入
2．合成氨工业的简要流程 ． 合成氨工业的简要流程可用方框图表示为： 合成氨工业的简要流程可用方框图表示为： 氨工业的简要流程可用方框图表示为
(1)原料气的制取 原 N2：将空气液化、蒸发分离出 2或者将空气中的O2与碳作用生成 将空气液化、蒸发分离出N 或者将空气中的 与碳作用生成CO2， 除去CO2后得 2。 后得N 除去 H2：用水和燃料 煤、焦炭、石油、天然气等 在高温下制取。 用水和燃料(煤 焦炭、石油、天然气等)在高温下制取 在高温下制取。 用煤和水制H2的主要反应为： 用煤和水制 的主要反应为： C＋H2O(g) ＋ CO＋H2 ＋ CO＋H2O(g) ＋ CO2＋H2
解析：A、B均是改变一种反应物或生成物的浓度，平衡要移动；C中通入 解析： 、 均是改变一种反应物或生成物的浓度，平衡要移动； 中通入 He，体积增加，反应体系中各成分的分压减小，平衡向逆反应方向移动； ，体积增加，反应体系中各成分的分压减小，平衡向逆反应方向移动； D中通入 ，反应体系中各成分的分压不变，平衡不移动。 中通入He，反应体系中各成分的分压不变，平衡不移动。 中通入 答案： 答案：D
(2)制得的N2、H2需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。 制得的 需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。 (3)氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。 氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。 氨的合成 (4)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率， (4)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率， 氨的分离 并将没有完全反应的N 循环送入合成塔，使其充分被利用。 并将没有完全反应的 2和H2循环送入合成塔，使其充分被利用。
纵坐标 SO2的转化率 SO2的转化率 氨气的浓度 氨气的浓度
甲 2 mol SO2和 1 mol O2 1×106 Pa × 400℃ ℃ 活性高的催 化剂
乙 2 mol SO2和2 mol O2 1×105 Pa × 500℃ ℃ 活性一般的催 化剂
审题视点： 题目中曲线是某未知量与时间关系，从图中知， 审题视点：1.题目中曲线是某未知量与时间关系，从图中知，乙达到平衡的时 间短，反应速率快。 间短，反应速率快。 2．甲和乙处于不同的平衡状态。 ．甲和乙处于不同的平衡状态。 3．SO2和O2合成 3、N2和H2合成氨的反应特点及外部条件对反应的影响。 ． 合成SO 合成氨的反应特点及外部条件对反应的影响。 思路点拨： 项中乙的SO 平衡转化率比甲的SO 平衡转化率应该更大， 思路点拨：A项中乙的 2平衡转化率比甲的 2平衡转化率应该更大，故A项 项 项错； 项中 项中NH 错；压强大的甲应更先达到平衡，故B项错；C项中 3的平衡浓度在高温下会 压强大的甲应更先达到平衡， 项错 更低，且更早达到平衡， 项正确； 的平衡浓度， 更低，且更早达到平衡，故C项正确；催化剂不能影响 项正确 催化剂不能影响NH3的平衡浓度，故D项 项 错。 正确答案： 正确答案：C
解析： 题考查了合成氨工业的基础知识， 解析：本题考查了合成氨工业的基础知识，需要从反应速率和化学平衡两个角 度理解合成氨反应的条件选择。合成氨工业中从合成塔出来的混合气体， 度理解合成氨反应的条件选择。合成氨工业中从合成塔出来的混合气体，NH3 只占15%，但由于分离出 ，但由于分离出NH3后，N2和H2可循环使用，所以总体来说氨的产率 可循环使用， 只占 是很高的， 说法错误， 说法正确 合成氨工业的反应温度控制在500℃左 说法正确； 是很高的，则A说法错误，B说法正确；合成氨工业的反应温度控制在 说法错误 ℃ 右而不选择常温，是为了加快反应速率 ， 且催化剂铁触媒在 右而不选择常温 ， 是为了加快反应速率，且催化剂铁触媒在500℃时催化活性 ℃ 最高， 说法错误 合成氨的反应为气体体积减小的反应， 说法错误； 最高，C说法错误；合成氨的反应为气体体积减小的反应，增大压强主要是为 了使平衡向正反应方向移动，与催化剂活性无关， 说法错误 说法错误。 了使平衡向正反应方向移动，与催化剂活性无关，D说法错误。 答案： 答案：B
(2)对气体分子数减少的反应 ， 增大压强既能提高反应速率又能使平衡正方 对 气体分子数减少的反应， 向移动。但压强越大，对设备和材料的强度要求及动力消耗就越高， 向移动。但压强越大，对设备和材料的强度要求及动力消耗就越高，使成本 增加，故应综合考虑，选择适当的压强。 增加，故应综合考虑，选择适当的压强。 (3)对放热反应， 升温虽能提高反应速率 ， 但转化率降低 ； 若温度太低 ， 转 对放热反应，升温虽能提高反应速率，但转化率降低；若温度太低， 对放热反应 化率虽然较高，反应速率又太慢，故需要选择适当的温度， 化率虽然较高，反应速率又太慢，故需要选择适当的温度，能在较低的温度 下较快的反应。 下较快的反应。 对吸热反应，升温既能提高反应速率又能提高转化率， 对吸热反应，升温既能提高反应速率又能提高转化率，但要防止反应物或生 成物的过热分解和设备成本。 成物的过热分解和设备成本。 (4)使用催化剂可大大提高反应速率 ， 但不影响化学平衡 ， 使用时必须注意 使 用催化剂可大大提高反应速率，但不影响化学平衡， 其活性温度范围，并防止催化剂“中毒” 其活性温度范围，并防止催化剂“中毒”。
由此可知，合成氨反应的速率与氨气浓度的 －1 次方成 正比 。在反应过程 此可知， 中，随着氨的浓度的 增大 ，反应速率会逐渐 减小 ，因此为了保持足够高的 从混合气中分离出来。 反应速率应适时将 氨 从混合气中分离出来。使用 催化剂 可以使合成氨的反应 速率提高上万亿倍，温度 越高 ，反应速率 越大 。 速率提高上万亿倍， 3．工业上，氮气与氢气合成氨的反应是在 催化剂 表面上进行的。这是一个 ．工业上， 表面上进行的。 复杂的过程， 复杂的过程，一般要经历 反应物扩散至催化剂表面 ，在 催化剂表面被吸附 、 离开反应区等五个步骤。 发生表面反应 、产物从催化剂表面脱离 、产物 扩散 离开反应区等五个步骤。
3．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 ． 下图所示是工业合成氨的简单流程示意图： 路线回去的物质是( 路线回去的物质是 A．N2和H2 ． B．催化剂 ． C．N2 ． D．H2 ．塔出来的混合气体，经过降温， 解析：合成氨的工艺流程中，从合成塔出来的混合气体，经过降温，分离出液 可以循环使用，以提高原料的利用率。 氨，未反应的N2、H2可以循环使用，以提高原料的利用率。 未反应的 答案： 答案：A
2．有关合成氨工业的下列说法中，正确的是( ． 关合成氨工业的下列说法中，正确的是
)
A．从合成塔出来的混合气体 ， 其中 ． 从合成塔出来的混合气体，其中NH3 只占 只占15%，所以生产氨的工厂 ， 的效率都很低 B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用的 ，所以总体来说 ．由于氨易液化， 在实际生产中是循环使用的， 氨的产率很高 C．合成氨工业的反应温度控制在 ．合成氨工业的反应温度控制在500℃，目的是使化学平衡向正反应方 ℃ 向移动 D．合成氨厂采用的压强是20 MPa～50 MPa，因在该压强下铁触媒的活 ．合成氨厂采用的压强是 ～ ， 性最大
③使用催化剂。其中符合勒夏特列原理的是什么？ 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。 合平衡移动原理的只有压强。 3． 增 大反应物浓度 ， 可以增大反应速率 ， 也可以使平衡向正反应方向移 ． 大反应物浓度， 可以增大反应速率， 动，在合成氨工业中，常采用过量的N2还是过量的 2? 在合成氨工业中，常采用过量的 还是过量的H 容易获得，所以常使用过量的N 以增大H 的转化率。 答：由于N2比H2容易获得，所以常使用过量的 2以增大 2的转化率。
【例题】 可用右面示意图表示的是 例题】 用右面示意图表示的是(
)
选 项 A B C D
反应 SO2与O2在同温、同体积 在同温、 容器中反应 2 mol SO2与1 mol O2在同 温、可变体积容器中反应 相同质量氨， 相同质量氨，在同一固定 容积容器中反应 体积比1∶ 的 体积比 ∶3的N2、H2在体 积可变的恒压容器中反应
第三节
化学反应条件的优化——工业合成氨 工业合成氨 化学反应条件的优化
1. 了解应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的条件。 解应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的条件。 2．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 ．通过对合成氨适宜条件的分析， 生产中的重要作用。 生产中的重要作用。
4．目前，合成氨生产中一般选择 铁触媒 作为催化剂， ． 作为催化剂， 左右； 控制反应温度在 700K 左右； 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强， 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强， 大致可分为 低压 (1×107 Pa)，中压 ×107～3×107 Pa) × ，中压(2× × 和 高压 (8.5×107～1×108 Pa)三种类型，通常采用的氮气 三种类型， × × 三种类型 的投料比。 与氢气的分压为 1∶2.8 的投料比。在目前的工艺条件下合 ∶ ～ 成氨厂出口气中的氨含量一般为 13%～14% 。