化学反应条件的优化——工业合成氨

化学反应条件的优化——工业合成氨

（讲义）

一、知识点睛

1.工业合成氨反应的限度

（1）反应原理

_________________________________

已知298 K时，△H = -92.2 kJ·mol-1

△S = -198.2 J·mol-1·K-1

（2）反应方向的判断

△H-T△S_____0，该反应在常温下_____自发进行。

（3）反应的限度分析

①______温度、______压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动；

②在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积比为1:3，反应达到化

学平衡时，混合物中NH3的含量最高。

2.工业合成氨反应的速率

（1）合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系

v = k c(N2) c1.5(H2) c-1(NH3)

（2）反应的速率分析

①增大_________的浓度，有利于提高反应速率；

②将_________及时分离，有利于提高反应速率；

③______温度，有利于提高反应速率；

④使用合适的_______，有利于提高反应速率。

3.工业合成氨的适宜条件

（1）合成氨条件选择的理论分析

（2）合成氨的实际条件

①压强：低压1×107 Pa

中压2×107 ~3×107 Pa

高压8.5×107 ~1×108 Pa

②温度：700 K左右

③催化剂：铁

④浓度：N2与H2的物质的量之比为1:2.8

4.工业合成氨的主要生产流程

（1）造气

原料气中的N2来自于空气。

原料气中的H2来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。以天然气为原料

时，反应可简单表示为：

CH4+H2O CO+3H2、CO+H2O CO+H2

（2）净化

消除造气过程中夹带的杂质，防止催化剂中毒。

（3）合成氨

这部分包括NH3的分离，N2和H2的循环使用，利用

反应产生的热预热合成气等。

5.工业生产中化学反应条件的优化

需考虑的因素有：化学反应速率快、原料利用率高、催化剂活性高、现实设备允许。

二、精讲精练

1.合成氨反应的特点是（）

①可逆②不可逆③正反应放热④正反应吸热

⑤正反应气体体积增大⑥正反应气体体积减小

A．①③⑤B．②④⑥

C．①③⑥D．④⑤⑥

2.在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）

A．延长反应时间B．充入过量H2

C．充入过量N2D．升高温度

3.对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组

合是（）

①高温②低温③低压④高压

⑤催化剂⑥加氨⑦除氨

A．②④⑤B．②④⑦C．①④⑤D．②③⑥

4.从化学反应速率和化学平衡两个角度考虑，合成氨应采用的条件是（）

A．低温、高压、催化剂B．低温、低压、催化剂

C．适宜温度、高压、催化剂D．高温、高压、催化剂

5.工业上合成氨时一般采用700 K左右的温度，原因是（）

①提高合成氨的速率②提高氢气的转化率

③提高氨的产率④催化剂在700 K时活性最大

A．只有①B．①②C．②③④D．①④

6.工业合成氨反应中，使用催化剂和施以高压，下列叙述正确的是（）

A．都能提高反应速率，都对平衡状态无影响

B．都对平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用时间

C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有加压对化学平衡状态有影响D．催化剂能缩短达到平衡状态所用时间，压强无此作用

7.关于合成氨工业的下列说法正确的是（）

A．合成氨工业的反应温度控制在400～500℃左右，因为该

条件下氨的产率最高

B．合成氨工业采用10～30 MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好

C．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的来说氨的产率很高

D．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业效率都很低

8.传统合成氨工业需要高温、高压和催化剂的反应条件。近来美国化学家使

用新型铁系催化剂，在常温下合成了氨气。下列说法正确的是（）

A．新型合成氨方法是吸热反应

B．新型合成氨方法可简化生产设备

C．新型催化剂提高了N2和H2的转化率

D．两种方法中该反应的化学平衡常数相等

9.根据合成氨的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是（）

A．研制耐高压的合成塔

B．采用超大规模的工业生产

C．研制耐低温复合催化剂

D．探索不用N2、H2合成氨的新途径

10.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得：

（1）C(s)+H22(g) △H>0

（2）CO(g)+H22(g)+H2(g) △H<0

工业生产中，欲提高CO转化率，可采用的方法是（）

①降低温度②增大压强③使用催化剂

④增大CO浓度⑤增大水蒸气浓度

A．①⑤B．②③C．②④⑤D．③⑤

11.工业合成氨技术是对人类的巨大贡献之一。下面是合成氨的简要流程示意

图：

（1）合成氨反应原料气N2的制备方法是_______________，

其中N2、H2的体积比高于1:3的原因是___________

_____________________________________________。

（2）原料气中往往含有H2S、CO、CO2等杂质，必须除去这些杂质的目的是_____________________________。

（3）上述流程示意图中的催化剂是____________。

（4）热交换器的作用是_______（填字母）。

a．提高N2的转化率

b．充分利用能源，降低成本

c．提高产物的产率

（5）沿X路线进入压缩机的物质是_________________，循环的目的是_________________________________。

12.有平衡体系CO(g)+2H23OH(g) △H<0，为增加甲醇（CH3OH）的

年产量，应采取的正确措施是（）

A．高温、高压

B．适宜的温度、高压、催化剂

C．低温、高压、催化剂

D．高温、高压、催化剂

13.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：2SO2(g)+O23(g)

△H<0。已知制备SO3过程中使用的催化剂是V2O5。下表为不同温度和压强下SO

1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa

450℃97.5% 99.2% 99.6% 99.7%

550℃85.6% 94.9% 97.7% 98.3%

（1）实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，是由于

______________________________。

（2）实际生产中采用的压强为常压，原因是_____________

______________________________________________

_____________________________________________。

（3）根据化学原理综合分析，为了使SO2尽可能转化为SO3，可控制的条件是_______________________。

（4）在生产中常用过量的空气是为了__________________

_____________________________________________。