合成氨反应条件的优化

3、在合成氨反应中，入口气体体积比 N2:H2:NH3 为6:18:1，出口气体体积比 为9:27:8，则H2的转化率为_____。 25% 起始
变化 N2 + 3H2 6 18 X 3X 2NH3
1
2X
(6-X) : (1+2X) = 9:8
X=1.5
1.5×3 H2转化率 = ×100% = 25% 18
H2
CH4(g)+H2O(g) CO(g)+H2O(g)
CO(g)+3H2(g) CO2(g)+H2(g)
例题 ：
能使合成氨反应进行程度增大的方法（ D ）
A、升高温度 C、使用催化剂 B 、降低压强 D 、及时分离出氨气
练一练
1．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( BC ) （A）不断将NH3分离出来 （B）使用催化剂 （C）采用700K左右的高温
6.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物
的含量最高：X2(g) + 2Y2 (g)
（正反应为放热反应）( D ) A.高温 高压 B.低温 低压 C.高温 低压 D.高压 低温
X2Y4 (g)
7.对于反应: 2SO2(g)+O2 (g) 下列判断正确的是( BC )
2SO3 (g)
A. 2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体 积SO3 B. 其他条件不变,增大压强,平衡向右移动 C. 平衡时, SO2消耗速率必定等于O2的生 成速率的两倍 D. 平衡时, SO2浓度必定等于O2浓度的两
合成氨的适宜条件的选择
外界条件
压强 温度 催化剂 反应物的浓度 氨的浓度
使NH3生产得快 使NH3生产得多
速率分析 高压 高温 使用 增大浓度 减小浓度 平衡分析 高压 低温 无影响 增大浓度 减小浓度
交流·研讨
研讨的内容
1. 既然增大压强既可提高反应 速率，又可提高氨的产量，那 么在合成氨工业中压强是否越 大越好？ 2. 既然降低温度有利于平衡向 生成氨的方向移动，那么生产 中是否温度越低越好？ 3. 催化剂对化学平衡的移动没 有影响， 在合成氨工业中要不 要使用催化剂，为什么？
分析: 经济效益和社会效益要求化学反应速度要快， 原料的利用率要高，单位时间的产量要高。 实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂( 铁触媒)，它在700K时活性最高。
浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
(阅读课本P67) 增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成 物的浓度可以使平衡正向移动。从化学平衡的角度分 析，在氮气和氢气的物质的量比为1∶3时，平衡转化 率最大，但是实验测得适当提高N2的浓度，即N2和H2 的物质的量比为1∶2.8时，更能促进氨的合成。
（D）采用2×107～5×107Pa的压强
2、合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应而制
得，其中一步的反应为：
CO(g) + H2O(g) 的是( BC) A. 增大压强 B. 降低温度 C. 增大水蒸气浓度 D. 增大CO浓度 CO2(g) + H2(g)（正 反应放热），下列措施中，能提高CO转化率
【总结】
小结· 反思
工业上利用某可逆反应生产产品： • 一般要使用催化剂：这样可以大大加快化学 反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益； • 选择合适的温度：该温度是催化剂活性最大 的温度； • 选择合适的压强：既要考虑化学反应速率和 化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。
第二课时
二、合成氨工业简述
倍.
8. 在一定条件下，合成氨反应达到平衡后， 混合气体中NH3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_____。 1﹕5
N2 + 3H2 起始 a b 变化 X 3X 平衡 a－X b－3X 2NH3 2X 2X △n 2X 2X = 1﹕5 (a+b)
浓度
化学反应条件的优化 ----工业合成氨
第一课时
弗里茨·哈伯
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年间他们就进行了多 达6500次试验，测试了2500种不同的配方， 最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。
复习
温度
影响化学反应速率和化学平衡的重要 因素有哪些?
化学反应速率
化学平衡
温度越高,反应速 升高温度,平衡向吸热方 率越快 向移动
压强越大,反应速 增大压强,平衡向气态物 气体压强 质系数减小的方向移动 率越快
催化剂
加快 反应物浓度越大, 反应速率越快
催化剂对平衡无影响
增大反应物浓度,平衡正 向移动
实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化 分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一 定的浓度。即N2和H2的物质的量比为1∶2.8
研讨的结果
外部条件 压强 温度 催化剂 浓度 工业合成氨的适宜条件
根据反应器可使用的钢材质量及 综合指标来选择压强 适宜温度：700K左右 使用铁触媒作催化剂 N2和H2的物质的量比为1∶2.8 的投料比, 氨及时从混合气中分 离出去
温度怎么选择？
分析： ①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温 度有利于平衡正向移动。 ②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所 需要的时间越长，因此温度也不宜太低。 ③催化剂要在一定温度下催化活性最大。 综合以上因素：实际生产中温度一般选择 在700K左右(主要考虑催化剂的活性)。
用不用催化剂？
合成氨反应的特征？
阅读课本P64 常温常压下可以自发反应，且气体物质系数减 小、放热、熵减小的可逆反应。
一、合成氨反应的限度 【交流·研讨】 课本P65图
请利用化学平衡移动的知识分析什 么条件有利于氨的合成。
结论
增大 降低 _____温度、______压强有利于化学平衡向
1:3 生成氨的方向移动，N2、H2体积比为_____
时平衡混合物中氨的含量最高。
二、合成氨反应的速率 【交流·研讨】 课本P66
1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高 合成氨反应的速率？ 2、实验研究表明，在特定条件下，合成氨反 应的速率与反应的物质的浓度的关系为: v = kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3) 请你根据关系式分析：各物质的浓度对反 应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高 反应速率？
3、请你根据下表所给的数据分析催化 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ对合成氨反应速率的影响：
催化剂对合成氨反应速率的影响
条件 无催化剂 使用Fe催化剂 △E (kJ/mol) 335 3.4×1012(700K) 167 k(催)/k(无)
1. 升高温度 2. 增大N2、H2浓度(即增大压强) 3. 使用催化剂 使用催化剂可使合成氨反应的速率提高 上万亿倍。 4. 将氨及时从混合气中分离出去
1、主要流程
原料气制取 净化 (造气) (净化) 压缩 合成 分离 (合成氨) 液氨
2、原料气制取 制氮气
N2(先逸出) 压缩 液态空气 空 法 气 碳 CO (+N ) 分离出CO2 N 2 2 2 蒸发 物理方 化学方法
制氢气
H2O H2O 分离出 天然气 CO+H2 CO2+H2 (气) (气) CO2
2X = 25% (a－X)+(b－3X)+ 2X
研讨的问题
压强怎么 定？
温度怎么 选择？
要不要用 催化剂？
压强怎么选？
分析： ①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大 压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所 以理论上压强越大越好。 ②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需 要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。
综合以上两点：根据反应器可使用的钢材 质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强 一般选择在200～500大气压之间。
4、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施 是（ C ）
A. 延长反应时间 C. 充入过量N2 B. 充入过量H2 D. 升高温度
5、关于氨的合成工业的下列说法正确的是 ( B ) A. 从合成塔出来的气体，其中氨一般占 15%，所以生产氨的工业的效率都很低 B. 由于NH3易液化，N2、H2可循环使用， 则总的说来氨的产率很高 C. 合成氨工业的反应温度控制在500 ℃ 左右，目的是使平衡向正反应方向进行 D. 合成氨工业采用20 MPa ---- 50MPa ， 是因该条件下催化剂的活性最好