合成氨条件的选择

合成氨条件的选择 姓 名

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一.

重点、难点

1. 使学生理解合成氨的化学原理，并能应用化学反应速率和化学平衡理论，选择合成氨的适宜条件，从而培养学生分析问题和解决问题的能力。

2. 了解合成氨工业生产的主要流程。

3. 向学生介绍我国解放后合成氨工业的发展情况，对学生进行爱国主义教育。

二. 具体内容

自学提纲：1. 影响化学反应速率的因素有哪些？是如何影响的？2. 影响化学平衡的条件有哪些？是如何影响的？3. 应用化学平衡原理分析，要制得更多的氨，可以采用哪些措施？

（一）原理

唯物辩证法告诉我们：一切从实际出发，要全面地分析问题．综合考虑化学反应速率和化学平衡移动的条件，再根据工业生产的特点和实际需要，才能正确地选择合成氨工业的适宜条件。

（二）适宜条件的选择

1. 压强。增大压强，有利于3NH 的合成，但在实际生产中，压强不可能无限制的增大，因为压强越大，

需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，势必增大生产成本，降低综合经济效益。因此，受动力、材料、设备等条件的限制，目前我国合成氨厂一般采用的压强是 MPa 20～MPa 50。

2. 温度。合成氨为放热反应，低温有利于氨的生成。但是温度越低，反应速率就慢，到达平衡所需要的时间越长，因而单位时间内产量低，这在工业生产中是很不经济的。综合考虑各种因素，在实际生产上，采用500℃的温度，此时催化剂的活性最大。

3. 催化剂。由于2N 分子非常稳定， 2N 与 2H 的化合十分困难，即使采用了加热与高压的条件，合成

氨的反应还是十分缓慢。为了加快化合反应速率，降低反应所需要的能量，合成氨工业普遍使用铁触媒作催化剂。合成氨的化学反应原理可以用以下化学方程式表示：

（三）生产过程简介1. 原料气的制备：N 2来自空气H 2： 原料：空气、水和燃料

据反应条件，使用合适的催化剂——防止催化剂“中毒”——原料气要净化．高压生产——氮、氢混合气要用压缩机压缩到高压。

2. 氨的合成：氮、氢混合气经过净化压缩以后进入合成塔。合成塔生产的特点和条件：

① 高压 ② 发生在催化剂存在下的放热反应 ③ 适当的温度 为了符合这些条件，合成塔的构造应该： ① 有耐高压的厚壁 ② 有能够安放厚层触媒的设备（接触室） ③ 塔壳外用绝热材料包裹，塔内有进行热交换的设备（热交换器）展示 挂图（一种合成塔的内部构造示意图）依次看氨合成塔的部构造模型。

3. 氨的分离

在实际生产中，不断补充、（增大反应物浓度），采取迅速冷却的方法（减小生成物浓度），

使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡不断地向着生成

的方向移动。

利用氨易液化的性质，将混合气体降温，使氨液化。

工业上让混合气通过冷凝器，使氨液化，然后在气体分离器里把液态氨分离出来，导入液氨贮罐。经气体分离器出来的气体，通过循环压缩机，再送到合成塔里。使没有起反应的物质从反应后的生成物里分离出来，并重新回到反应器里去，这种工艺过程叫做循环操作过程。 归纳合成氨的简要流程

（四）化学模拟生物固氮

氮的固定：将游离态的氮转化为化合态氮的过程叫氮的固定。 1. 人工合成氨：化学固氮法。其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。2. 根瘤菌，生物固氮。常温常压下进行。成本低、转化率高、效率高。模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。

【典型例题】

[例1] 下列事实不能用勒沙特列原理解释的是（ ）A. 加入催化剂有利于合成氨的反应B. 高压有利于合成氨的反应C. 500℃有利于合成氨的反应D. 将混合气体中的氨气液化有利于合成氨反应答案：AC

解析：合成氨的反应是一个气体体积缩小的放热反应，加压能使平衡向生成氨的方向移动，升温不利于生成氨，但能使催化剂活性大，提高反应速率；将氨液化降低氨气浓度，平衡向生成氨气方向移动；催化剂只能提高反应速率，缩短达到平衡的时间。

[例2] 在一定条件下，合成氨反应到达平衡状态，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NH 3

B. 恒温、恒容时，充入N 2

C. 恒温、恒压时，充入He

D. 恒温、恒容时，充入He

解析：在一定温度下，向平衡混合气体中加入不参与反应的气体，若体积未改变，则对平衡无影响；若体积增大，则对平衡有影响，其影响情况与不加入该气体而增大体积时对平衡的影响情况相同。

同时改变影响平衡的两个条件时，为使平衡移动情况变得有规律可循，一般需要设计另外一条到达同一平衡状态的途径，即先只改变其中一个条件，再改变另一个条件。

该题需应用平衡移动原理对题给选项逐项分析。A 项，充入NH 3会改变NH 3的浓度，对平衡有影响；为保持恒压，须增大体积，对平衡也有影响。为便于判断平衡移动的方向，可这样设想：先在恒温、恒容下充入NH 3，这时由于NH 3的浓度增大，平衡会向NH 3分解的方向移动；再在恒温下增大体积（即减小压强），使压强与原平衡相等，这时平衡也会向NH 3分解的方向移动。所以，在恒温、恒压下充入NH 3，会使平衡向NH 3分解的方向移动。B 项，在恒温、恒容下充入N 2，会使N 2的浓度增大、从而使平衡向生成NH 3的方向移动。C 项，He 不参与化学反应，但在恒温、恒压下充入He ，必须引起体积增大，这如同减小平衡混合气体的压强，平衡会向NH 3分解的方向移动。D 项，在恒温、恒容下充入He ，由于平衡混合物中任一组分的浓度均未改变，所以平衡不移动。应选D 。 答案：D

[例3] 合成氨反应中，若合成塔进口时N 2、H 2、NH 3的体积之比为3:15:5。出口时N 2、H 2、NH 3的体积之比为8:27:9，则N 2的转化率为（ ）A. 10％ B. 20％ C. 30% D. 40%

分析： 欲求N 2的转化率就要知道N 2的起始量（进口量）和转化量（变化量）。题中未直接给出N 2的起始量，却给出了进口时N 2、H 2、NH 3的体积之比，可据此进行假设。

设进口时N 2、H 2、NH 3的物质的量分别为5mol 、15mol 、3mol ，至出口时有xmolN 2转化成NH 3。

2

23H N +32NH 进口量（mol ）5 15 3变化量（mol ）x 3x 2x

出口量（mol ）x -5 x 315- x 23+依题意可得：（x -5）:（3+2x ）=9:8，x= 0.5（mol ）。 N 2的转化率为：%10%10055.0%100=⨯=⨯mol mol

进口量变化量

故选A 。 答案：A

[例4] 合成氨工厂常通过测定反应前后混合气体的密度来确定氮的转化率。某工厂测得合成塔中N 2、H 2混合气体的密度为0.5536g / L(标准状况)，从合成塔中出来的混合气体在相同条件下密度为0.693g / L （标