化学反应条件的优化(合成氨工业的选择)

化学反应 的方向 化学热 力学
合成氨反 应能否自 发进行？
怎样能促 使化学平 衡向合成 氨方向移 动？ 怎样能提 高合成氨 反应速率？
化学工艺学
化学反应 的限度
适 宜 的 合 成 氨 条 件
工 艺 流 程
化学动 力学
化学反应 的速率
高压对设备材质、 加工制造的要求、温度 的催化剂活性的影响等
【交流· 研讨】
合成氨的工业前景
3.超声波固氮：
氮气在通常状态下十分稳定，一般难以发生化学 反应，但在超声波作用下，可以使氮分子中的化 学键削弱，从而在较温和的条件下就可以发生化 学反应。在室温下用超声波辐射溶有空气的饱和 水溶液后，可以测到处理过的水中含有亚硝酸、 硝酸等；如果处理溶有氮气、氢气和一氧化碳的 饱和水溶液，可以测到甲醛、氢氰酸和咪唑等物 质，这些实验对人工固氮的研究提供了一条新的 途径。
【迁移应用】
2SO2(g)+O2(g)
书P70
2
工业制造硫酸的主要反应为: 2SO3 (g) △H=-197.8 KJ/mol ①
②
SO3 (g)+H2O(l)=H2SO4 (aq)
反应①的平衡常数K随温度升高而减小.
所用催化剂的主要成分为V2O5(6％-12％) 、K2SO4(17％20％) 、SiO2 (50％-70％),能使催化剂中毒的物质有砷、硒、 氟等.
500℃
85.5%
92.9%
94.9%
97.7%
98.3%
作业:
• 习题：书P71 4 .5 • 完成全优设计: P52 夯实基础
已知2SO2(g)+O2(g) 其实验数据见表
2SO3 (g) △H＜0
(1) 应选用的温度是______。 450℃ (2)应采用的压强是______，理由是___________ 2 常压 因为常压下SO __________________________________________ 的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率 _______________________________________。 提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。
3.使用催化剂可使合成氨反应的速率
提高上万亿倍。
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
生成物氨的浓度
使NH3生产得快 速率分析
使NH3生产得多 平衡分析
高压 高温 使用 增大浓度 减小浓度
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？
弗里茨· 哈伯：
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，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。
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Leabharlann Baidu等。
我国合成氨工业的发展情况：
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂；
1949年全国氮肥产量仅0.6万吨；
2000年达到3363.7万吨，成为世界上产量最 高的国家之一。拥有多种原料、不同流程的大、中 、小合成氨厂1000多家.
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 △ E /KJ/mol 335 3.4×1012(700k) 167 k(催)/k(无)
1.升高温度 增大压强 增大反应物浓度 使用催化剂
2.增大N2`H2浓度,将氨及时从 混合气中分离出去
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？
研讨的问题 压强怎么定？
温度怎么选择？
要不要用催化 剂？
1、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。
合成氨的工业前景
1、催化剂
合成氨的铁催化剂 这一类合成氨催化剂以还原铁为催化剂主要活性成分， 并掺加 各种促进剂和载体的催化剂. 促进剂：稀土金属及其氧化物 关于稀土金属及其氧化物的作用，我国也进行了一些研 究。国外也报 道了一些含钐、锆、钯、铑的催化剂研究 结果，发现稀土金属及其氧化物是对氨合成非常有效的 促进剂。我国有丰富的钛、锆、铌等稀有金属资源，因 此， 以稀有金属氧化物为促进剂，有希望成为我国改进 工业合成氨的铁催化剂的研究方向之一。
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。
2、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）。
合成氨反应是一个可逆反应: N2(g)+3H2(g) 已知298K时: △H= -92.2KJ· -1 mol
书P65
2NH3(g)
△S = -198.2J· -1· -1 K mol
请根据正反应的焓变和熵变分析298K下 合成氨反应能否自发进行？ 298K下合成氨反应的平衡常数 K为４.１×１０６（mol· -1)-2 L
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
【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；
请根据以上信息讨论二氧化硫氧化反应的工艺条件(温度 、 压强、原料气配比等)对工业生产硫酸的影响.
不同压强SO2的转化率（%） 1.01×105 Pa 450℃ 97.5% 5.05×105 Pa 98.9% 1.01×106 Pa 99.2% 5.05×106 Pa 99.6% 1.01×107 Pa 99.7%
例题：已知2SO2(g)+O2(g)
△H＜0其实验数据见表
1.01×105 Pa 450℃ 97.5% 5.05×105 Pa 98.9% 不同压强SO2的转化率（%） 1.01×106 Pa 99.2%
2SO3 (g)
5.05×106 Pa 99.6%
1.01×107 Pa 99.7%
500℃
85.5%
3、用不用催化剂？
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。
4、浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
（阅读书本67页）
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。 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。
合成氨反应的特点：
N2(g)+3H2(g) (1体积) (3体积) 2NH3(g) △H ＝-92.2kJ/mol (2体积)
①可逆反应 ②熵减小的反应 ③正反应气态物质系数减小 ④正反应是放热反应
【交流· 研讨】
书P65
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．
NH3%
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
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
升高温度,平衡向吸 温度越高,反应速 热方向移动 率越大 气体压强 压强越大,反应速 增大压强,平衡向气态物 率越大 质系数减小的方向移动 催化剂 正催化剂加快反应 催化剂对平衡无影响 速率 浓度 反应物浓度越大,反 增大反应物浓度,平 衡正向移动 应速率越大
1:1
1:2
1:3
1:4
1:5
1:6
N2:H2
降低 增大 ___温度、___压强有利于化学平衡向 生成氨的方向移动，N2、H2体积比为 1：3 _____时平衡混合物中氨的含量最高。
【交流· 研讨】
书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: ν =κC(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？
92.9%
94.9%
97.7%
98.3%
（1）从理论上分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化 硫， 可控制的条件是 。 （2）实际生产中，选定400℃～500℃作为操作温度其原因 是 。 （3）实际生产中，采用的压强为常压，其原因是: . （4）在生产中，通入过量空气的目是 。 (5)尾气中有SO2必须回收是为了 。
合成氨的工业前景
合成氨的钌催化剂 合成氨熔铁型催化剂要在高温、高压和耗能 高的苛刻条件下使用，且催化剂的活性并不 是很高。而合成氨的钌催化剂可能是一种较 好的催化剂。它在低温低压下活性很高，常 压下比合成氨的铁催化剂的活性高10—20倍， 且对水、CO和CO2不敏感，但合成氨的钌催 化剂在高压下未必比合成氨的铁催化剂来得 优越。
合成氨的工业前景
2.化学模拟生物固氮
现在，世界上好多国家（包括我国）的科学家，都 在研究模拟生物固氮，即寻找人工制造的有固氮活 性的化合物。固氮酶由两种蛋白质组成。一种蛋白 质（二氮酶）的分子量约22万，含有两个钼原子、 32个铁原子和32个活性硫原子；另一种蛋白质（二 氮还原酶）是由两个分子量为29000的相同亚基构 成的，每个亚基含有4个铁原子和4个硫原子。已经 发现一些金属有机化合物有可能作为可溶性的固氮 催化剂。