工业合成氨.pptx

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1、第第 2 章章 化学反应的方向、限度与速率化学反应的方向、限度与速率第第4 4节节 化学反应条件的优化化学反应条件的优化 工业合成氨工业合成氨白水中学白水中学 刘刘 杨杨1、认识合成氨的化学原理、认识合成氨的化学原理2、应用化学平衡和化学反应速率的有应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的最适宜条件关知识选择合成氨的最适宜条件3、了解合成氨生产的主要流程、了解合成氨生产的主要流程4、了解条件选择的依据和原则、了解条件选择的依据和原则 课时目标弗里茨弗里茨哈伯与合成氨哈伯与合成氨 19世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到将来的粮食问题，为使子孙后代

2、免于饥饿，必须寄将来的粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家能实现大气固氮希望于科学家能实现大气固氮将空气中丰富的将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。德国化学家氮固定下来并转化为可被利用的形式。德国化学家哈伯在哈伯在1913年实现了合成氨的工业生产，满足了年实现了合成氨的工业生产，满足了20世纪人口由世纪人口由30亿增至亿增至60亿对粮食的需求，因此人们亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人用空气制造面包的圣人”。鉴于合成。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。发了诺

3、贝尔化学奖。弗里茨弗里茨哈伯哈伯 利用氮气、氢气为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，利用氮气、氢气为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了130年的时间。德国科学年的时间。德国科学家哈伯在家哈伯在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，化剂，2年间他们就进行了多达年间他们就进行了多达6500次试验，测试了次试验，测试了2500种不同的配方，种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂最后选定了一种合适的催化剂-铁。反应铁。反应N2(g)+

4、3H2(g)2NH3(g)看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程看起来十分简单，为什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？合成氨工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？1、热力学分析：先判断反应的方向，再利用平衡移动原理分析如何提高产量2、动力学分析：研究反应的速率问题3、综合评价：综合评价热力学与动力学研究的结果，还必须考虑实际工艺技术等各方面因素，确定最终生产条件。一、工业生产条件选择的一般研究思路【交流研讨一交流研讨一】合

5、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。合成氨反应有哪些特点？合成氨反应有哪些特点？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下合成氨反应能否自下合成氨反应能否自发进行？发进行？可逆反应可逆反应;正反应是放热反应；正反应是放热反应；正反应为熵减小反应。正反应为熵减小反应。HTS=33.14 kJmol10【交流研讨二交流研讨二】根据下列表格，分析温度、压强的改变对合成氨平衡转化率的影响根据下列表格，分析温度、压强的改变对合成氨平衡转化率的影

6、响？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（体积分数）的含量（体积分数）V(N2)V(H2)=13 0.10.1101020203030606010010020020015.315.381.581.586.486.489.989.995.495.498.898.83003002.22.252.052.064.264.271.071.084.284.292.692.64004000.40.425.125.138.238.247.047.065.265.279.879.85005000.10.110.610.619.119.126.426.442.242.257.557.560

7、06000.050.054.54.59.19.113.813.823.123.131.431.4压强压强/MPaMPaNHNH3 3含含 量量/%温度温度/温温度度升升高高，氨氨的的含含量量降降低低压强增大，氨的含量压强增大，氨的含量增大增大【交流研讨三交流研讨三】你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成你认为可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨反应的速率？氨反应的速率？增大反应物的浓度增大反应物的浓度升高温度升高温度增大压强增大压强使用催化剂使用催化剂提高反应的平衡转化率提高反应的平衡转化率提高化学反应的速率提高化学反应的速率外界外界条件条件措施措施外界外界条件条件措施措施浓度浓度浓度浓度压

8、强压强压强压强温度温度温度温度催化剂催化剂催化剂催化剂低温有利低温有利加压有利加压有利催化剂不能改变平催化剂不能改变平衡转化率衡转化率高温有利高温有利使用催化剂使用催化剂根据上述研讨，请填写下表：根据上述研讨，请填写下表：增加氮气、氢气浓度，增加氮气、氢气浓度，及时将氨气移走及时将氨气移走增加氮气、氢气浓度，增加氮气、氢气浓度，及时将氨气移走及时将氨气移走加压有利加压有利不一致不一致1 1、压强怎么选？、压强怎么选？合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大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，所压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所

9、以理论上压强越大越好。以理论上压强越大越好。综合以上两点综合以上两点: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。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，压缩H2和和N2所所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术二二.合成氨条件选择：合成氨条件选择：2 2、温度怎么选择？、温度怎么选择？因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平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。衡正向移动。可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间可是温度越低，反应

10、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。越长，因此温度也不宜太低。催化剂要在一定温度下催化活性最大。催化剂要在一定温度下催化活性最大。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、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？增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度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

11、质的量比为氢气的物质的量比为1 1：3 3时，平衡转化率最大，但是实验时，平衡转化率最大，但是实验测得适当提高测得适当提高N N2 2的浓度，即的浓度，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，更能促进氨的合成。时，更能促进氨的合成。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分：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，使其保持一离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。定的浓度。4 4、使用催化剂？、使用催化剂？实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在媒

12、），它在700K700K时活性最高。时活性最高。经济效益和社会效益要求化学反应速度要快，原料的利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。用率要高，单位时间的产量要高。【研讨成果研讨成果】实际生产中合成氨的适宜条件实际生产中合成氨的适宜条件外界条外界条件件工业合成氨的适宜条件工业合成氨的适宜条件浓度浓度压强压强温度温度催化剂催化剂按照按照N2和和H2的物质的量比为的物质的量比为12.8投料；及时补充投料；及时补充N2和和H2，增大反应物浓度；增大反应物浓度；及时及时将将氨从混合气中分离出去氨从混合气中分离出去，减少生成物浓度减少生成物浓度加压有利于提高反应速

13、率和原料的转化率，但根据反应器可加压有利于提高反应速率和原料的转化率，但根据反应器可使用的钢材质量及综合指标等，实际选择压强为低压使用的钢材质量及综合指标等，实际选择压强为低压(1107Pa)、中压、中压(2107Pa3107Pa)和高压和高压(8.5107Pa1108Pa)三种类型。三种类型。高温有利于提高反应速率，低温有利于提高原料的转化率，高温有利于提高反应速率，低温有利于提高原料的转化率，还要考虑催化剂的活性，实际选择温度为还要考虑催化剂的活性，实际选择温度为700K左右。左右。使用催化剂虽然不能提高合成氨的平衡转化率，但可以使使用催化剂虽然不能提高合成氨的平衡转化率，但可以使合成氨的

14、反应速率提高上万亿倍，目前合成氨生产一般选合成氨的反应速率提高上万亿倍，目前合成氨生产一般选择铁触媒做催化剂。择铁触媒做催化剂。三三.合成氨工业简述：合成氨工业简述：空气空气压缩压缩降温降温液态空气液态空气蒸发蒸发N N2 2（先逸出）（先逸出）炭炭COCO2 2N N2 2除去除去COCO2 2N N2 2H H2 2O(g)O(g)赤热炭赤热炭或其他燃料或其他燃料COCOH H2 2H H2 2O(g)O(g)催化剂催化剂COCO2 2H H2 2除去除去COCO2 2H H2 2原料：原料：空气、水、燃料空气、水、燃料C CH H2 2O(g)COO(g)COH H2 2高温高温COCO

15、H H2 2O(g)COO(g)CO2 2H H2 2催化剂催化剂原料气的制备原料气的制备净化净化压缩压缩(防止催化剂中毒防止催化剂中毒)合成合成分离分离液氨液氨N N2 2、H H2 2工业生产时，条件选择需注意的问题工业生产时，条件选择需注意的问题1一般要使用合适的催化剂一般要使用合适的催化剂能够降低反应的活化能，加快化学反应速率，提高能够降低反应的活化能，加快化学反应速率，提高生产效率，提高经济效益。生产效率，提高经济效益。2选择合适的温度选择合适的温度既要考虑催化剂活性温度要求，又要考虑生产成本，既要考虑催化剂活性温度要求，又要考虑生产成本，一般所选的温度是催化剂活性最大的温度。一般所

16、选的温度是催化剂活性最大的温度。3选择合适的压强选择合适的压强既要考虑压强对化学反应速率和化学平衡的影响，既要考虑压强对化学反应速率和化学平衡的影响，还要综合考虑动力成本和对设备的要求等。还要综合考虑动力成本和对设备的要求等。已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H0(1)应选用的温度是_。(2)应采用的压强是_，理由是_450常压常压因为常压下因为常压下SO2的转化率已经很高，若采用较大压强，的转化率已经很高，若采用较大压强，SO2的转化率的转化率提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。提高很少，但需要的动力更大，对设备的要求更高。试一试试一试1在合成氨时，可以提高在合成氨时，可

17、以提高H2转化率的措施是（转化率的措施是（）(A)延长反应时间延长反应时间 (B)充入过量充入过量H2(C)充入过量充入过量N2 (D)升高温度升高温度练一练练一练C C2研究研究NO2、SO2、CO等大气污染气体等大气污染气体的处理具有重要意义。的处理具有重要意义。CO可用于合成可用于合成甲醇，反应方程式为甲醇，反应方程式为CO(g)2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。实际生产条件控制在关系如图所示。实际生产条件控制在250、1.3104 kPa左右，选择此压强的左右，选择此压强的理由是理由是_。已已较高，再增大压强较高，再增大压强CO转化率提高不大，转化率提高不大，而生产成本增加，得不偿失。而生产成本增加，得不偿失。在在1.3104 kPa下，下，CO的的转化率转化率 作业：作业：1完成练习册。完成练习册。2通过查阅资料了解通过查阅资料了解我国合成氨工业我国合成氨工业的发展情况的发展情况。谢谢观看！