《工业合成氨》上课ppt课件.ppt

选修选修 化学反应原理化学反应原理第二章第二章 第第4 4节节 化学反应条件的优化-工业合成氨 山东科技版山东科技版 合成氨工厂一角合成氨工厂一角N2(g)+3H2(g)2NH3(g)弗里茨弗里茨哈伯：哈伯：用空气制造面包的天使 自自1784年发现氨以后，年发现氨以后，人们一直在研究如何利用化人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨。学方法由氮气和氢气合成氨。德国德国化学家化学家哈伯哈伯带领科研团带领科研团队也从队也从1902年开始研究氨的年开始研究氨的直接合成。但直到直接合成。但直到1913年才年才实现了氨的工业生产。实现了氨的工业生产。弗弗里里茨茨哈哈伯伯与与合合成成氨氨 合成氨从第一次实验室研制到工业化投合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了产经历了约约150150年年的时间。德国科学家哈伯的时间。德国科学家哈伯在在1010年的时间年的时间内进行了无数次的探索，单内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，是寻找高效稳定的催化剂，2 2年间他们就进年间他们就进行了行了多达多达65006500次次试验，测试了试验，测试了25002500种不同种不同的配方的配方，最后选定了一种合适的，最后选定了一种合适的催化剂催化剂-铁铁，使合成氨的设想在，使合成氨的设想在19131913年成为工业现年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于学院于19181918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。我们一起来探究和合成氨的条件的选择我们一起来探究和合成氨的条件的选择？回顾：回顾：氨气的实验室制法氨气的实验室制法（课本（课本P79P79页）页）1、实验室制备、实验室制备（1）原理：）原理：（2）装置：）装置：（3）收集：）收集：（4）干燥：）干燥：2NH2NH4 4Cl+Ca(OH)Cl+Ca(OH)2 2=CaCl=CaCl2 2+2NH+2NH3 3+2H+2H2 2O O 固固加热型（与制固固加热型（与制O2相同）相同）向下排空气法向下排空气法碱石灰碱石灰【交流交流研讨研讨1】合成氨反应是一个可逆反应合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知已知298K时时:H=-92.2KJmol-1 S=-198.2JK-1mol-1请根据正反应的焓变和熵变分析请根据正反应的焓变和熵变分析298K下合成氨反应下合成氨反应能否自发进行？能否自发进行？298K下合成氨反应的平衡常数下合成氨反应的平衡常数K为为.（molL-1)-2化学反应方向化学反应方向【交流交流研讨研讨2】请利用化学平衡移动的知识分析什么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？条件有利于氨的合成？化学平衡角度化学平衡角度数数据据一一压压强强对对氨氨气气百百分分数数的的影影响响数数据据二二N2H2体体积积比比对对产产率率的的影影响响1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2_温度、温度、_压压强强有利于化学平衡有利于化学平衡向生向生成氨的方成氨的方向移动向移动，N N2 2、H H2 2体积体积比为比为_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。增大降低1：3【小结小结1】【交流交流研讨研讨3】1 1、你认为可以通过控制那些反应条件来提、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？高合成氨反应的速率？2 2、实验实验研究研究表明表明，在特定条件下，合成氨反应，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的速率与反应的物质的浓度的关系为:=C(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)请同学们根据关系式分析：各物质的请同学们根据关系式分析：各物质的浓度浓度对对反反应应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应速率？速率？化学反应速率角度化学反应速率角度3 3、请你根据下表所给的数据分析催化剂对合成氨、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：反应速率的影响：催化剂对合成氨反应速率的影响条件条件 E/kJ/molk(催催)/k(无无)无催化剂无催化剂3353.41012(700k)使用使用Fe催化剂催化剂1671.1.升高温升高温度度2.2.增大压增大压强强3.3.增大反应物浓度增大反应物浓度4.4.使用催化剂使用催化剂5.5.增大增大N N2 2 H H2 2浓度浓度,将氨及时从混合将氨及时从混合气中分离出去气中分离出去使用催化剂可使合成氨反应的速率提高使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿上万亿倍。倍。【小结小结2】合成氨的适宜条件的选择生成生成物物氨的浓度氨的浓度反应物的浓度反应物的浓度催化剂催化剂温度温度压强压强速率分析速率分析使使NH3生产得生产得快快外界条件外界条件高压高压高温高温使用使用增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度平衡分析平衡分析使使NH3生产得生产得多多高压高压低温低温无影响无影响增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度 研讨的内容研讨的内容 研讨的问题研讨的问题 1、既然增大压强既可提、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？业中压强是否越大越好？压强怎么定？压强怎么定？2、既然降低温度有利于、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低那么生产中是否温度越低越好？越好？3、催化剂对化学平衡的移动催化剂对化学平衡的移动没有影响，没有影响，在合成氨工业中在合成氨工业中要要不要不要使用催化剂使用催化剂，为什么？，为什么？温度怎么选择？温度怎么选择？要不要用催化要不要用催化剂？剂？【交流交流研讨研讨4】工业流程角度工业流程角度 1 1、压强怎么选？、压强怎么选？分析：分析：合成氨反应是气态物质系数减小的气体合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，反应，增大增大压强既可以增大反应速率，又能使压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。移动，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对但是压强越大，对设备设备的要求高、压缩的要求高、压缩H H2 2和和N N2 2所需要的所需要的动力动力大，因此选择压强应符合大，因此选择压强应符合实际科学技术。实际科学技术。综合以上两点综合以上两点:根据反应器可使用的钢根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。材质量及综合指标来选择压强。实际生产中实际生产中压强一般选择在压强一般选择在200200500500大气压大气压之间。之间。2 2、温度怎么选择？、温度怎么选择？分析：分析：因为正反应方向是因为正反应方向是放热放热的反应，所以的反应，所以降低温度降低温度有利于平衡正向移动。有利于平衡正向移动。可是温度越低，反应速率可是温度越低，反应速率越小越小，达到平衡所需，达到平衡所需要的时间越要的时间越长长，因此温度也不宜太低。，因此温度也不宜太低。催化剂催化剂要在一定温度下催化要在一定温度下催化活性活性最大。最大。综合以上因素综合以上因素:实际生产中温度一般选择在实际生产中温度一般选择在700K700K左右（主要考虑催化剂的活性）。左右（主要考虑催化剂的活性）。3 3、用不用催化剂？、用不用催化剂？实际生产中选用实际生产中选用铁铁为主体的多成分催化剂为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在（铁触媒），它在700K700K时时活性最高。活性最高。分析分析:经济效益经济效益和和社会效益社会效益要求化学反应速度要要求化学反应速度要快快，原料的利用率要原料的利用率要高高，单位时间的产量要，单位时间的产量要高高。4 4、浓度怎么定？、浓度怎么定？N N2 2 和和H H2 2的比例怎么定？的比例怎么定？增大增大反应物的反应物的浓度浓度可以增大反应速率，可以增大反应速率，减小减小生生成物的浓度可以使成物的浓度可以使平衡正向平衡正向移动。从化学平衡的角移动。从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1 1：3 3时，平时，平衡转化率衡转化率最大最大，但是，但是实验测得实验测得适当适当提高提高N N2 2的浓度的浓度，即即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8时，更能促进氨的时，更能促进氨的合成。合成。实际生产中的处理方法：及时将气态实际生产中的处理方法：及时将气态氨氨冷却冷却液化分离出去；及时将液化分离出去；及时将氮气和氢气循环氮气和氢气循环利用，使其利用，使其保持一定的浓度。保持一定的浓度。即即N N2 2和和H H2 2的物质的量比为的物质的量比为1 1：2.82.8外部条件外部条件工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件压强压强温度温度催化剂催化剂浓度浓度根据反应器可使用的钢材质量根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强及综合指标来选择压强 适宜温度适宜温度 700K左右左右使用铁触媒作催化剂使用铁触媒作催化剂N2和和H2的物质的量比为的物质的量比为1：2.8的投的投料比料比,氨及时从混合气中分离出去氨及时从混合气中分离出去【小结小结3】【小结小结4】工业上利用某可逆反应生产产品：工业上利用某可逆反应生产产品：一般要一般要使用催化剂使用催化剂：这样可以大大加快化学反：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；应速率，提高生产效率，也提高了经济效益；选择选择合适的温度合适的温度：该温度是催化剂活性最大的：该温度是催化剂活性最大的温度；温度；选择选择合适的压强合适的压强：既要考虑化学反应速率和化：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。学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。【小结小结反思反思】二、合成氨工业简述：二、合成氨工业简述：1、主要流程：、主要流程：原料气制取原料气制取 净化净化 压缩压缩 合成合成 分离分离 液氨液氨2、原料气制取：原料气制取：空气空气压缩压缩碳碳液态空气液态空气 N2(先逸出先逸出)物理方法物理方法蒸发蒸发CO2(+N2)N2 化学方法化学方法 分离出分离出CO2制氮气制氮气:（造气）（净化）（合成氨）制氢气制氢气:天然气天然气 CO+H2 CO2+H2 H2 H2O(气气)分离出分离出CO2 CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H H2 2O(O(气气)合合成成氨氨工工厂厂一一角角合成氨工厂一角合成氨工厂一角我国合成氨工业的发展情况：我国合成氨工业的发展情况：我国合成氨工业开始于我国合成氨工业开始于2020世纪世纪3030年代，年代，19491949年年新中国成立时合成氨厂只有新中国成立时合成氨厂只有3 3家，年生产能力不到家，年生产能力不到0.60.6万吨。经过几十年的努力，我国已经拥有多种万吨。经过几十年的努力，我国已经拥有多种原料、不同流程的大原料、不同流程的大、中中、小合成氨厂小合成氨厂10001000多家；多家；到到20002000年，合成氨年产量达到年，合成氨年产量达到3363.73363.7万吨，从生产万吨，从生产能力和产量上都位居世界前列。能力和产量上都位居世界前列。为了提高合成氨生产的能力，还可为了提高合成氨生产的能力，还可以在哪些方面做进一步改进？以在哪些方面做进一步改进？抗毒能力强的新型催化剂抗毒能力强的新型催化剂仿生固氮酶催化剂仿生固氮酶催化剂【能力提高能力提高】反馈练习反馈练习D D 1.1.工业合成氨反应是工业合成氨反应是700 K700 K左右进行的，左右进行的，这主要原因是（这主要原因是（）A.A.700 K 700 K 时氨的平衡浓度最大时氨的平衡浓度最大B.B.700 K 700 K 时此反应速率最快时此反应速率最快C.700 K C.700 K 时氨的转化率最高时氨的转化率最高D.700 K D.700 K 该反应的催化剂能发挥最大的作该反应的催化剂能发挥最大的作用用反馈练习反馈练习AD AD 2.2.在合成氨工业中，下列操作使平衡向右在合成氨工业中，下列操作使平衡向右移动的是移动的是()（A）不断将）不断将NH3分离出来分离出来（B）使用催化剂）使用催化剂（C）采用）采用700K左右的高温左右的高温（D）采用）采用21075107Pa的压强的压强