合成氨条件的选择

第4节 化学反应的优化 —工业合成氨 工业合成氨
知识回顾： 知识回顾：
1.化学反应的方向：在温度、压强一定的条件下，化学反应的方 化学反应的方向：在温度、压强一定的条件下， 化学反应的方向 向是由反应的焓变和熵变共同影响的结果。 向是由反应的焓变和熵变共同影响的结果。
∆H-T∆S < 0（反应自发进行） 反应自发进行） 反应方向的判据： 反应达到平衡） 反应方向的判据： ∆H-T∆S = 0（反应达到平衡） ∆H-T∆S > 0（反应不能自发进行） 反应不能自发进行）
增大反应物或减小生成物的浓度， 增大反应物或减小生成物的浓度，化学平衡正向移动 （2）改变浓度 减小反应物或增大生成物的浓度， 减小反应物或增大生成物的浓度，化学平衡逆向移动 通过改变Q 通过改变Q实现
增大压强， 增大压强，化学平衡向气体体积减小的方向移动 （3）改变压强 减小压强， 减小压强，化学平衡向气体体积增大的方向移动 通过改变Q 通过改变Q实现
（不）板书、请你尝试为合成氨选择适宜条件 合 成 氨 适 宜 条 件 ____________
700K ____________
选择 1 107~ 1 108Pa ________________ N2、H2 ______ 1:2.8 氨 ________
合成氨条件总结
反应条件 对化学反应速 率的影响 对平衡混合物中氨 的含量的影响 合成氨条件的选择
巩固练习
1、在一密闭容器中，N2、H2合成氨的反应已达到 在一密闭容器中， 平衡。此时再往容器中通入一定量N 平衡。此时再往容器中通入一定量N2,保持温度和 容器体积不变，当反应再次达到平衡时， 容器体积不变，当反应再次达到平衡时，与第一 次平衡状态相比（ 次平衡状态相比（ BC ） （Ａ）ＮＨ３的百分含量增大 （Ｂ）ＮＨ３的浓度增大 （Ｃ）Ｈ２的转化率提高 （Ｄ）Ｎ２的转化率提高
增大压强
有利于增大化 学反应速率
有利于提高平衡混 合物中氨的产量
压强增大，有利于氨的合成， 压强增大，有利于氨的合成， 但需要的动力大，对材料、 但需要的动力大，对材料、设 备等的要求高，因此， 备等的要求高，因此，工业上 一般采用1× 一般采用 ×107 1×108Pa。 × Pa。
升高温度
有利于增大化 学反应速率
高压 高温 使用催化剂 增大反应物浓度
高压 低温 无影响
增大反应物浓度 减小生成物浓度
讨论： 讨论：
1、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？ 向移动，那么生产中是否温度越低越好？ 2、既然增大压强既可提高反应速率，又可 既然增大压强既可提高反应速率， 提高氨的产量， 提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是 否越大越好？ 否越大越好？ 3、在合成氨工业中要使用催化剂，既然催 在合成氨工业中要使用催化剂， 化剂对化学平衡的移动没有影响， 化剂对化学平衡的移动没有影响，为什么 还要使用呢？ 还要使用呢？
合成氨反应N 合成氨反应 2+3H2=2NH3 从反应速率的角度分析 ___、___ 、 ___ 、 ___都可加快反应速率。但从 、 都可加快反应速率。 都可加快反应速率 平衡移动原理看，升高温度平衡向 移动,氨的 平衡移动原理看，升高温度平衡向___移动 氨的 移动 平衡浓度___,因此，通常采用__左右温度，这样 因此，通常采用 左右温度 左右温度， 平衡浓度 因此 既可使反应速率__,又能使催化剂的 压强越大， 既可使反应速率 又能使催化剂的___.压强越大， 又能使催化剂的 压强越大 NH3的平衡浓度 的平衡浓度___，但对 要求也高， ，但对___和____要求也高， 和 要求也高 所以一般采用___pa. 所以一般采用
1、据合成氨反应的特点应分别采取什么措施提高反 应的平衡转化率和反应速率？ 应的平衡转化率和反应速率？请填写下表
合成氨反应 N2+3H2 2NH3（正反应为放热反应） 正反应为放热反应）
使NH3生成得多 从化学平衡分析） （从化学平衡分析）
使NH3生成得快 从反应速率分析） （从反应速率分析）
压强 温度 催化剂 浓度
温度升高，化学反应速率增大， 温度升高，化学反应速率增大， 不利于提高平衡混 但不利于提高化学平衡混合物 中氨的含量，因此，工业上一 中氨的含量，因此，工业上一 合物中氨的含量 般采用700K左右的温度。 左右的温度。 般采用 左右的温度 催化剂的使用不能使平衡发生 移动， 移动，但能缩短反应达到平衡 的时间，工业上一般选用铁触 的时间，工业上一般选用铁触 媒作催化剂， 媒作催化剂，使反应在尽可能 低的温度下进行。 低的温度下进行。
N2+3H2 1、压强怎么选？ 压强怎么选？
2NH3 (放热反应) 放热反应)
分析： 合成氨反应是体积缩小的气体反应， 分析：①合成氨反应是体积缩小的气体反应，增 大压强既可以增大反应速率， 大压强既可以增大反应速率，又能提高平衡混合 物中氨的含量，所以理论上压强越大越好。 物中氨的含量，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 但是压强越大，对设备的要求高、 所需要的动力大，因此压强也不宜过高。 H2和N2所需要的动力大，因此压强也不宜过高。 综合以上两点， 综合以上两点，实际生产中压强一般选择在 1×107 ～ 1×108Pa之间。 之间。 × × 之间
2、氨的合成： 氨的合成：
（1）主要设备：合成塔 主要设备： （2）反应原理：N2+3H2 反应原理：
高温高压
催化剂
2NH3
五、设想合成氨的发展前景
参考： 生物中植物对氮的需求； 参考：①生物中植物对氮的需求； ②生物固氮的原理和条件； 生物固氮的原理和条件； ③理想的人工固氮条件。 理想的人工固氮条件。
3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对 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 Ea /(kJ/mol) 335 3.4×1012(700K) 167 K(催)/k(无)
使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍 提高上万亿倍。 提高上万亿倍
三、合成氨的适宜条件的选择
增大反应物的浓度可以增大反应速率， 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。 小生成物的浓度可以使平衡正向移动。因此可 以用保持一定的氮、氢浓度， 以用保持一定的氮、氢浓度，减少氨气浓度的 方法，提高合成氨的效率和产量。 方法，提高合成氨的效率和产量。 实际生产中的处理方法： 实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却 液化而分离出去；及时补充氮气和氢气， 液化而分离出去；及时补充氮气和氢气，使其 保持一定的浓度。 保持一定的浓度。
哈伯（ 哈伯（F.Haber） ） （1868-1934） ）
分析： 分析：合成氨的反应特点
反 应 特 点
N2+3H2 _____反应
2NH3
正反应为_____ ____反应 ____ 正反应为 正反应的 合成氨反应 _____的反应 分析
一、合成氨的反应限度
请根据合成氨反应的特点，利用影响化 学平衡移动的因素，分析什么条件有利于氨 生成的多？ 低 高 ___温、___压有利于化学平衡正向移动， 1:3 研究发现：N2、H2浓度比为_____有利于化学平 衡正向移动。
使用催化剂
有利于增大化 学反应速率
没有影响
四、合成氨工业简介： 合成氨工业简介：
1、合成氨工业的流程
N2 H2
原料气的制取—净化—压缩—合成—分离— 原料气的制取—净化—压缩—合成—分离—液氨 原料气的制取 液化空气， N2：液化空气，蒸发分离出氮气 H2：用水和燃料在高温下制取。如： 用水和燃料在高温下制取。 C + H 2O （g ） CO + H2O（g） CO + H2 CO2 + H2 思考： 思考：1mol C能 能 制取多少氢气？ 制取多少氢气？
3.化学反应的速率 化学反应的速率
（1）浓度对化学反应速率的影响 ）
（2）压强对化学反应速率的影响 ）
（3）温度对化学反应速率的影响 ）
（4）催化剂对化学反应速率的影响 ）
[阅读资料]
19世纪以前，一些有远见的化学家指出： 19世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮 世纪以前 食问题，为了使子孙后代免于饥饿， 食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能 实现大气固氮。 实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利 用的形式， 20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重 用的形式，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重 大课题。 大课题。德国化学家哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论 研究的化学家之一,他终于在1913年实现了合成氨的工业生产， 研究的化学家之一,他终于在1913年实现了合成氨的工业生产， 1913年实现了合成氨的工业生产 满足了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求， 满足了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞扬 20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求 哈伯是“用空气制造面包的圣人”。 哈伯是“用空气制造面包的圣人”
3、用不用催化剂？ 用不用催化剂？ 使用催化剂能否提高合成氨的转化率？ 使用催化剂能否提高合成氨的转化率？ 使用催化剂对反应速率有何影响？ 使用催化剂对反应速率有何影响？
实际生产中选用铁为主体的多成分催化 ），它在 ℃时活性较高。 剂（铁触媒），它在 铁触媒），它在500℃时活性较高。
的比例怎么定？ 4、浓度怎么定？H2和N2的比例怎么定？ 浓度怎么定？
提示：化工生产中适宜条件选择的一般原则： 提示：化工生产中适宜条件选择的一般原则：
1、从化学反应速率分析； 从化学反应速率分析； 2、从化学平衡移动分析； 从化学平衡移动分析； （既要注意外界条件对二者影响的一致性， 既要注意外界条件对二者影响的一致性， 又要注意对二者影响的矛盾性。） 又要注意对二者影响的矛盾性。） 3、从原料的利用率分析；（增加易得廉价原料， 从原料的利用率分析；（增加易得廉价原料， ；（增加易得廉价原料 提高难得高价原料的利用率，降低成本。） 提高难得高价原料的利用率，降低成本。） 4、从实际生产能力分析；（设备承温、承压能力等） 从实际生产能力分析；（设备承温、承压能力等） ；（设备承温 5、注意催化剂的活性对温度的限制。 注意催化剂的活性对温度的限制。