高中化学-工业合成氨课件-.ppt

1、 (1)在在298 K时时N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1，S192.2 JK1mol1。则该反应在。则该反应在298 K时，时，(能，不能能，不能)自发进行。自发进行。(2)增大合成氨速率的因素有增大合成氨速率的因素有 、增大压强、增大压强(浓度浓度)、使用使用 ，使平衡，使平衡N2(g)3H2(g)2NH3(g)向右移动向右移动的措施有：降低的措施有：降低 、增大、增大 、使、使N2或或H2的浓度的浓度 、NH3的浓度减小。的浓度减小。(3)反应中若使反应中若使N2、H2转化率相等，则转化率相等，则n(N2)n(H2)。能能升高温度升高温度催化剂催化剂 温度温度

2、压强压强增大增大1 3一、合成氨反应的限度一、合成氨反应的限度1合成氨反应的特点合成氨反应的特点N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1S198.2 JK1mol1 (1)由反应方程式的系数关系可知是气体体积由反应方程式的系数关系可知是气体体积 的反应；的反应；(2)根据根据H(298 K)92.2 kJmol10知是知是 反应；反应；(3)S(298 K)198.2 JK1mol1，说明是，说明是 反应。反应。2合成氨反应的限度分析合成氨反应的限度分析 (1)温度、温度、压强将有利于化学平衡向生成氨的压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动。方向移动。(2)在一定温度、压强

3、下，反应物氮气、氢气的体积比为在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为 时平衡混合物中氨的含量最高。时平衡混合物中氨的含量最高。减小减小放热放热熵减熵减降低降低增大增大1 3二、合成氨反应的速率二、合成氨反应的速率(1)vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)。三、合成氨的适宜条件三、合成氨的适宜条件 (1)温度以温度以 左右为宜。左右为宜。(2)压强分为低压压强分为低压(1107 Pa)、中压、中压(21073107 Pa)、高压、高压(8.51071108 Pa)三种类型。三种类型。(3)用用 作催化剂。作催化剂。(4)按按N2与与H2的物质的量之比为的物质的量之比为1 2.8投

4、料，并及时分投料，并及时分离出离出 。700 KNH3铁铁四、反应流程四、反应流程1实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参 与反应的物质的浓度的关系式为：与反应的物质的浓度的关系式为：vkc(N2)c1.5(H2)c 1(NH3)，请你根据该关系式分析，各物质的浓度对反应速，请你根据该关系式分析，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？率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？分析：分析：由合成氨反应的化学反应速率公式可知，在一定由合成氨反应的化学反应速率公式可知，在一定 温度、压强下，化学反应速率与反应

5、物浓度温度、压强下，化学反应速率与反应物浓度c(N2)或或 c1.5(H2)成正比关系，与生成物浓度成正比关系，与生成物浓度c(NH3)成反比关系。成反比关系。由此在一定温度、压强下，可采取增大反应物浓度、减由此在一定温度、压强下，可采取增大反应物浓度、减小生成物浓度来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度，小生成物浓度来提高化学反应速率。另外还可采取升高温度，使用合适的催化剂降低反应活化能来增大反应速率常数使用合适的催化剂降低反应活化能来增大反应速率常数K加加快反应速率。快反应速率。答案：答案：见分析见分析2合成氨工业生产中，为什么要采用分离产物，将原料气合成氨工业生产中，为什么要采用分离产

6、物，将原料气 循环使用的方法？循环使用的方法？分析：分析：(1)将将NH3液化加以分离并把未反应的液化加以分离并把未反应的N2、H2循循 环使用，可使平衡正向移动，提高原料的利用率；由环使用，可使平衡正向移动，提高原料的利用率；由v kc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)知，降低氨气的浓度，可以知，降低氨气的浓度，可以 加快反应速率。加快反应速率。答案：答案：可以提高原料的利用率，加快反应速率可以提高原料的利用率，加快反应速率3已知：已知：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H(298 K)92.2 kJmol1，K6.6105(molL1)2，思考：，思考：(1)从平衡常数来看，反应的限

7、度已经很大了，为什从平衡常数来看，反应的限度已经很大了，为什 么还需要使用催化剂？么还需要使用催化剂？(2)试分析实际工业生产中采取试分析实际工业生产中采取700 K左右的温度的原因。左右的温度的原因。分析：分析：(1)“从平衡常数来看，反应的限度已经很大从平衡常数来看，反应的限度已经很大”，属化，属化学平衡问题，而使用催化剂是为了加快化学反应的速率，提学平衡问题，而使用催化剂是为了加快化学反应的速率，提高单位时间的产量，属化学反应速率的问题。而且催化剂不高单位时间的产量，属化学反应速率的问题。而且催化剂不能改变反应的限度。能改变反应的限度。(2)升高温度，化学反应速率增大，但不利于平衡向生成

8、升高温度，化学反应速率增大，但不利于平衡向生成NH3的方向移动，因此合成氨时温度要适宜，工业上一般采用的方向移动，因此合成氨时温度要适宜，工业上一般采用700 K左右的温度，在这个温度时，催化剂的活性最大。左右的温度，在这个温度时，催化剂的活性最大。答案：答案：(1)是为了加快化学反应速率是为了加快化学反应速率(2)在这个温度时，催化剂活性最大在这个温度时，催化剂活性最大 (1)从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。度分析化学反应的特点。(2)根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影根据反应特点具体分析外界条件对速率和

9、平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况情况(生产效率和生产成本生产效率和生产成本)，选出适宜的外界条件。，选出适宜的外界条件。外界外界条件条件有利于加有利于加快速率的快速率的条件控制条件控制有利于平衡移动有利于平衡移动的条件控制的条件控制综合分析结果综合分析结果浓度浓度增大反应增大反应物的浓度物的浓度增大反应物的浓增大反应物的浓度、减小生成物度、减小生成物的浓度的浓度不断地补充反应不断地补充反应物、及时地分离物、及时地分离出生成物出生成物催化剂催化剂加合适的加合适的催化剂催化剂不需要不需要加合适的催化剂加合适的催化剂外界

10、外界条件条件有利于有利于加快速加快速率的条率的条件控制件控制有利于平衡移动有利于平衡移动的条件控制的条件控制综合分析结果综合分析结果温度温度高温高温H0低温低温在设备条件允许的前提在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性虑催化剂的活性外界外界条件条件有利于加有利于加快速率的快速率的条件控制条件控制有利于平衡移有利于平衡移动的条件控制动的条件控制综合分析结果综合分析结果压强压强高压高压(有气有气体参加体参加)(g)0低压低压兼顾速率和平衡，选兼顾速率和平衡，选取适宜的压强取适宜的压强 例例1下表的实验数据是在不同温度和压强下，平下表的实验数据是在不同温度和压强下

11、，平衡混合物中衡混合物中NH3含量的变化情况。含量的变化情况。达到平衡时平衡混合物中达到平衡时平衡混合物中NH3的含量的含量(体积分数体积分数)投料投料V(N2)V(H2)1 3 压强压强/Mpa NH3的含量的含量/%温度温度/0.11020306010020015.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.83002.252.0 64.2 71.0 84.2 92.64000.425.1 38.2 47.0 65.2 79.85000.110.6 19.1 26.4 42.2 57.56000.054.59.113.8 23.1 31.4 (1)比较比较200和和300时的数据，可

12、判断升高温度，平衡时的数据，可判断升高温度，平衡向向_方向移动，正反应方向为方向移动，正反应方向为_(填填“吸热吸热”或或“放放热热”)反应。反应。(2)根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是根据平衡移动原理，合成氨适宜的条件是_。A高温高压高温高压 B高温低压高温低压 C低温高压低温高压 D低温低压低温低压 (3)计算计算500、30 MPa时，时，N2的转化率的转化率_。(4)实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，实际工业生产氨时，考虑浓度对化学平衡的影响，及及500对反应速率的影响，还采取了一些措施。请分别对反应速率的影响，还采取了一些措施。请分别写出其中的一个措施：写出其中的一个措

13、施：_。解析解析(1)表中数据表明：恒压时，升高温度，表中数据表明：恒压时，升高温度，w(NH3)减小，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应。减小，说明平衡逆向移动，则正反应为放热反应。(2)由反应由反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0，合，合成氨适宜条件是低温、高压，此时平衡右移，反应物转化成氨适宜条件是低温、高压，此时平衡右移，反应物转化率大。率大。(4)增大反应浓度或降低产物浓度有利于平衡右移；低增大反应浓度或降低产物浓度有利于平衡右移；低温时虽然有利于化学反应正向进行，但速率较小，为提高温时虽然有利于化学反应正向进行，但速率较小，为提高化学反应速率，化学反应速率，500时加入合

14、适的催化剂时加入合适的催化剂(铁铁)，既提高化，既提高化学反应速率，又使铁的催化性能最好。学反应速率，又使铁的催化性能最好。答案答案(1)逆反应放热逆反应放热 (2)C(3)41.8%(4)加过量加过量N2或及时从平衡体系中移走或及时从平衡体系中移走NH3，选择合适，选择合适的催化剂的催化剂(如铁如铁)1生产流程生产流程 3净化气体净化气体 制得的制得的N2、H2需净化，除去杂质需净化，除去杂质(防止催化剂中毒防止催化剂中毒)，再用，再用压缩机压缩至高压。压缩机压缩至高压。4NH3的合成的合成 在合成塔中进行。从塔口进气，经热交换器与塔内反应在合成塔中进行。从塔口进气，经热交换器与塔内反应后的

15、高温气体逆流交换热量后，进入合成塔与铁接触反应，后的高温气体逆流交换热量后，进入合成塔与铁接触反应，从塔上口出气。从塔上口出气。5NH3的分离的分离 混合气经冷却后，进入氨分离器，只有氨气在该压强下混合气经冷却后，进入氨分离器，只有氨气在该压强下液化得到液氨，而未反应的液化得到液氨，而未反应的N2和和H2经循环压缩机压缩后，再经循环压缩机压缩后，再通入合成塔中进行反应。通入合成塔中进行反应。A混合气进行循环利用遵循绿色化学思想混合气进行循环利用遵循绿色化学思想 B分离液氨利于加快正反应速率分离液氨利于加快正反应速率 C对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率对原料气进行压缩是为了增大原料气的转

16、化率 D使用催化剂可以提高反应的速率，但是不能使使用催化剂可以提高反应的速率，但是不能使平衡向正反应方向移动平衡向正反应方向移动 解析解析A项，混合气进行循环利用，原子利用率高，项，混合气进行循环利用，原子利用率高，符合绿色化学思想；符合绿色化学思想；B项，分离液氨不能加快反应速率，主项，分离液氨不能加快反应速率，主要是利于平衡正向移动，提高原料利用率；要是利于平衡正向移动，提高原料利用率；C项，压缩混合项，压缩混合气气(加压加压)利于平衡正向移动；利于平衡正向移动；D项，催化剂能加快反应速率，项，催化剂能加快反应速率，对平衡无影响。对平衡无影响。答案答案B 合成氨流程中的每个环节的总旨是：增大产率、降低成合成氨流程中的每个环节的总旨是：增大产率、降低成本、增大效益。本、增大效益。点点 击击 下下 图图 进进 入入 (1)合成氨反应特点：可逆，放热，熵减小，气体的物合成氨反应特点：可逆，放热，熵减小，气体的物质的量减小。质的量减小。(2)合成氨反应的条件：合成氨反应的条件：700 K，高压，催化剂，高压，催化剂，n(N2)n(H2)1 2.8(投料投料)。(3)化学反应条件的优化原则：化学反应条件的优化原则：反应速率尽量快。反应速率尽量快。原料转化率尽量高。原料转化率尽量高。点点 击击 下下 图图 进进 入入