化工生产的一些基本原理

合成氨的未来发展方向?
常温催化剂 原料气的制备成本进一步降低
生物技术有望取得突破性进展，实现合成氨 生产的根本性改变
………….
接触法制硫酸
主要反应： 2SO2+ O2
2SO3 + Q Q>0
不同温度、压强下SO2的平衡转化率
转化 压强
率% atm
1
5
10
100
温度0C
4400
999.2
99.6
99.7
99.9
500
93.5
96.9
97.8
99.3
600
73.7
85.8
89.5
96.4
合成氨: 500℃、 高压、铁触媒、 nN2:nH2=1:3 制硫酸：400-500℃、 常压、 V2O5、 过量空气
H2
燃料
:水蒸气 高温
H2 +
催化剂
CO水蒸气高温H2 +
CO2除CO2
H2
C + H2O CO + H2 CO + H2O CO2 + H2
工业上常使价廉的原料过量来提高另一原料的利用率. 而合成氨的N2、H2原料的制备成本相近，你会按何比 例配料呢？
化工生产（合成氨适宜条件的选择） (1)压强：20—50MPa
化工生产中适宜条件的选 择与优化
化学组： 邵亚君
2013. 10. 12
考纲点击——2013版
可逆反应、化 学平衡状态 影响化学平衡 移动的因素 勒夏特列原理
化学平衡常数 K
化学平衡的应用
B
B
浓度、压强、温度对化学平衡 移动的影响
用勒夏特列原理解释浓度、压 B 强、温度对化学平衡移动的影
响
(1)化学平衡常数的表达式，运
三、合成氨工业的简要流程
N2、H2
原料 气体
净化
压缩
合成
分离
液氨
四、原料气的制取
N2：方法Ⅰ：液化空气（ N2先逸出）
方法Ⅱ：消耗空气中的O2（例：C+O2=CO2，除去 CO2可得N2）
H2：水煤气法
C+H2O（气） Δ CO+H2
CO+H2O（气）
催化剂
Δ
CO2+H2
讨论：为有效提高合成氨反应物的转化率及
K
源自文库
使NH3生产得多(平衡分析) 氨含量 a（N2)、 a(H2)
氨产率
反 增大C（N2）
应 物
增大C（H2）
的 浓度都增大
浓 CN2:CH2=1:3 度 配比投料
减小生成物浓度
增大压强
温度
升高
催化剂活性
最大的温度降低
催化剂
增大 定 增大 定 增大 定
减小 定 增大 定 增大 小 减小 大 增大 定
不定 aN2↓aH2 ↑ 高 不定 aN2↑aH2 ↓ 高
压强越大，NH3含量越高,但是需动力大,对设备 强度和制造要求高.
适 (2)温度： 500°C
宜 条
温度越低, NH3含量越高, 但反应速率减慢,达到平 衡时间长; 而此时催化剂活性最大.
件
(3)催化剂：铁触媒
加快反应速率,较快达到平衡.
(4)循环操作 N2和H2按投料比以1:3循环使用且不 断补充, 并及时分离生成的氨,
增大 aN2 ↑aH2 ↑ 高
减小 aN2↑ aH2↑ 高 高 aN2 ↑ aH2↑ 高 减小 aN2↓ aH2↓ 低 高 aN2↑ aH2↑ 高 定 aN2 定 aH2定 定
二、合成氨厂原料气的制备:
N2 : 空气
---降 加---温压--、-- 液态空气 --逐升--渐温---- N2 --焦 或--碳煤---- N2、CO2 -除--C--O--2-- N2
“减弱”的双重含义：只能削弱不能抵消
1.运用化学基本原理和方法进行分析、判断、推理：
2.从文字、图、表等情景资料中获取信息进行分析、 判断、推理
★力度加深。
弗里茨·哈伯与合成氨：合成氨从第一 次实验室研制到工业化投产经历了约 150年的时间。德国科学家哈伯在10年 的时间内进行了无数次的探索，单是寻 找高效稳定的催化剂，2年间他们就最
1.知道原理
合成氨工业
N2+ 3H2
2.分析反应的特点： a、可逆反应 b、正反应放热
2NH3 + Q Q >0
c、正反应是气体体积减小的反应。
3.用速率和平衡理论相结合分析生产的适宜条件。尽量做到
又快又多。经济效益好。
一、化工生产（合成氨适宜条件的选择） (1)压强：20—50MPa
压强越大，NH3含量越高,但是需动力大,对设备 强度和制造要求高.
适 (2)温度： 500°C
宜 条
温度越低, NH3含量越高, 但反应速率减慢,达到平 衡时间长; 而此时催化剂活性最大.
件
(3)催化剂：铁触媒
加快反应速率,较快达到平衡.
(4)循环操作 N2和H2按投料比以???循环使用且不 断补充, 并及时分离生成的氨,
讨论：为有效提高合成氨反应物的转化率及 氨气的含量，实际生产中宜采取的措施一定 可行的是 A．降低温度 B．采用最适合催化剂活性的适当高温 C．增大压强至条件可行的限度 D．降低压强 E．不断加入HCl将生成氨反应掉 F．循环利用剩余的反应气 G.增加N2或H2的浓度，来提高H2或N2的转化 率 H.用水喷淋氨气，生成一水合氨。及时将一 水合氨分离出去。
B
用化学平衡常数解释反应进行 程度及平衡移动方向
(1)工业生产上(合成氨、制硫酸)反应
条件的选择依据
B (2)有关“化学平衡与生活”的一些常
见例子
解释有关实验事实
判断平衡移动方 向 选择反应适宜条 件
???
勒沙特列原理(平衡移动原理)：
如果改变任一影响平衡的一个条件（如浓度、温度、 压强等），平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。
氨气的含量，实际生产中宜采取的措施一定
可行的是
CF
A．降低温度
B．采用最适合催化剂活性的适当高温
C．增大压强至条件可行的限度
D．降低压强
E．不断加入HCl将生成氨反应掉
F．循环利用剩余的反应气
G.增加N2或H2的浓度，来提高H2或N2的转化 率
H.用水喷淋氨气，生成一水合氨。及时将一
水合氨分离出去。
改变以下任一条件对实际生产中合成氨速率及 平衡指标的影响
外界条件
使NH3 生产快
K
使NH3生产得多(平衡分析) 氨含量 a（N2)、 a(H2)
氨产率
反 增大C（N2）
应 物
增大C（H2）
的 浓度都增大
浓 CN2:CH2=1:3 度 配比投料
减小生成物浓度
增大压强
温度
升高
降低
催化剂
外界条件
使NH3 生产快
后选定了一种合适的催化剂--铁，
使合成氨的设想在1913年成为工业现实。 鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学 院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。
氨气产量已成为世界上产量最高
的国家之一。
弗里茨·哈伯：
美国三名科学家共获2013年诺贝尔化学奖
奖励他们在“发展复杂化学体系多尺度模型” 方面所做的贡献