(精品)4、化学反应条件的优化——工业合成氨.ppt

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1、第四节第四节 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复复习习影响化学反应速率和化学平衡影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些的重要因素有哪些?化学反应速率化学反应速率 化学平衡化学平衡 温度温度气体压强气体压强催化剂催化剂浓度浓度温度越高温度越高,反应速反应速率越大率越大压强越大压强越大,反应速反应速率越大率越大正催化剂加快反应正催化剂加快反应速率速率反应物浓度越大反应物浓度越大,反反应速率越大应速率越大升高温度升高温度,平衡向吸平衡向吸热方向移动热方向移动增大压强增大压强,平衡向气态物平衡向气态物质系数减小的方向移动质系数减小的方向移动催化剂对平衡无影响催化剂对平衡无

2、影响增大反应物浓度增大反应物浓度,平平衡正向移动衡正向移动交流交流研讨研讨对于合成氨反应：对于合成氨反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知已知298K时时:H=-92.2KJmol-1 S=-198.2JK-1mol-1合成氨反应的平衡常数合成氨反应的平衡常数K=4.110（molL-1)-2请根据焓变、熵变及平衡移动原理分析请根据焓变、熵变及平衡移动原理分析:1 1、298K298K下合成氨反应能否自发进行？下合成氨反应能否自发进行？2 2、什么条件有利于氨的合成？、什么条件有利于氨的合成？课本课本P P6565 _温度、_压强、浓度、浓度有利于化学平衡向生成氨的方向移动，N2、H

3、2体积比为_时平衡混合物中氨的含量最高。增增大大降低降低1：3【理论分析理论分析】H-T S=-33.1KJmol-1 说明反应可以自发进行说明反应可以自发进行增大反应物增大反应物减小生成物减小生成物不同条件下平衡混合气中氨的含量不同条件下平衡混合气中氨的含量(体积分数体积分数)(原料其中原料其中N2和和H2的体积比是的体积比是1:3)31.457.579.892.698.81108Pa23.142.265.284.295.46107Pa9.119.138.264.286.42107Pa4.510.625.152.081.51107Pa13.826.447.071.089.93107Pa0.0

4、50.10.42.215.3 1105Pa 4000C 6000C 5000C 3000C 2000C压压强强氨氨含含量量温温 度度根据化学反应限度的知识分析：根据化学反应限度的知识分析：学科网已知：已知：1、合成氨反应的速率公式：、合成氨反应的速率公式：v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)2、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交流交流研研讨讨怎样提高合成氨反应的速率？怎样提高合成氨反应的速率？条件条件Ea/kJmol-1K（催）（催）/k(无）无）无催化剂无催化剂3353.4x1012（700K）使用催化剂使用催化剂167_温度、温度、_压强压强、浓度、浓

5、度、浓度、浓度、能提高合成氨的能提高合成氨的反应速率。反应速率。增大增大升高升高【理论分析理论分析】使用催化剂使用催化剂增大反应物增大反应物减小生成物减小生成物生成氨的浓度生成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平衡分析平衡分析使使NH3生产快生产快使使NH3生产多生产多外界条件外界条件高压高压高压高压低温低温高温高温使用使用无影响无影响增大浓度增大浓度增大浓度增大浓度减小浓度减小浓度减小浓度减小浓度综合合成氨反应综合合成氨反应速率和平衡速率和平衡分析分析：1、压强怎么选？、压强怎么选？分析分析：合成氨反应是气体体积缩小的合成氨反应是气体体积缩小的反应，

6、增大压强既可以增大反应速率，又反应，增大压强既可以增大反应速率，又能提高平衡混合物中氨的含量，所以能提高平衡混合物中氨的含量，所以理论理论上压强越大越好。上压强越大越好。综合以上两点，实际生产中压强一般选综合以上两点，实际生产中压强一般选择在择在20MPa-50MPa之间。之间。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所需要的动力大，因此所需要的动力大，因此压强也不宜过高。压强也不宜过高。2、温度怎么选？、温度怎么选？因为正反应方向是放热的反应，所因为正反应方向是放热的反应，所以以降低温度降低温度有利于提高平衡混合物中氨的有利于提高平衡混合物中氨的含量。

7、含量。可是温度越低，反应速率越小，达可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此到平衡所需要的时间越长，因此温度也不温度也不宜太低。宜太低。催化剂要在一定温度下效果最好。催化剂要在一定温度下效果最好。综合以上因素，实际生产中温度一般选综合以上因素，实际生产中温度一般选择在择在500左右左右（主要考虑催化剂的活性）（主要考虑催化剂的活性）。3、是否用催化剂？、是否用催化剂？使用催化剂能否提高合成氨的转化率？使用催化剂能否提高合成氨的转化率？使用催化剂对反应速率有何影响？使用催化剂对反应速率有何影响？实际生产中选用铁为主体的多成分催化实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂剂（铁触媒），

8、（铁触媒），它在它在500时活性较高。时活性较高。4、浓度怎么定？、浓度怎么定？能否用过量氮气提高氢气转化率？能否用过量氮气提高氢气转化率？工业合成氨是否采用此方法？工业合成氨是否采用此方法？0.60.50.40.30.20.1NH3%1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 c(N2):c(H2)增大反应物的浓度增大反应物的浓度或或减小生成物的浓减小生成物的浓度度既既可以增大反应速率又可以使平衡正向可以增大反应速率又可以使平衡正向移动。因此可以用保持适当的氮、氢浓度，移动。因此可以用保持适当的氮、氢浓度，减少氨气的浓度的方法，提高合成氨的效减少氨气的浓度的方法，提高合成氨的效率和产量。

9、率和产量。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而分离出去；及时将气态氨冷却液化而分离出去；及时补充氮气和氢气，使其保持一定及时补充氮气和氢气，使其保持一定的浓度比的浓度比:c(N2):c(H2)=1:2.8小结：合成氨的适宜条件小结：合成氨的适宜条件:(速率较快速率较快,转化率适中催化剂活性最大转化率适中催化剂活性最大)温度温度:700K压强压强:210 510 Pa（200500atm）77(有利于氨的合成有利于氨的合成,对动力、材料强度、对动力、材料强度、设备制造要求适中设备制造要求适中)催化剂：铁触媒催化剂：铁触媒(以铁为主体的多成分催化剂以铁为主体的多成分催

10、化剂)使反应物在较低温度下较快的进行反应。使反应物在较低温度下较快的进行反应。浓度：浓度：将生成的氨及时从混合气中分离出来，将生成的氨及时从混合气中分离出来，且向循环气中不断补充且向循环气中不断补充 N2、H2（1:2.8)。举例：举例：在合成氨工业中，为增加氨气的在合成氨工业中，为增加氨气的日产量，在实现此目的的过程中与平衡移日产量，在实现此目的的过程中与平衡移动无关的是动无关的是 （）（A）不断将氨分离出来）不断将氨分离出来 （B）使用催化剂使用催化剂 （C）采用采用500的高温的高温 （D）采用）采用20-50Mp的压强的压强B、C1、在合成氨时，可以提高、在合成氨时，可以提高H2转化率

11、的措转化率的措施是（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C练一练练一练：2.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：的含量最高：X2(g)+2Y2(g)X2Y4(g)（正反应为放热反应）（正反应为放热反应）()A.高温高温 高压高压 B.低温低温 低压低压 C.高温高温 低压低压 D.高压高压 低温低温D3 3、合成氨所需的、合成氨所需的H H2 2可由煤和水蒸气反应可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：而制得，其中一步的反应为：COCO(g)(g)+H+H2 2O

12、 O（g g）CO CO2(g)2(g)+H+H2(g)2(g)（正反应放热）（正反应放热），下列措施中，能提高，下列措施中，能提高COCO转化率的是（转化率的是（）A A、增大压强、增大压强 B B、升高温度、升高温度 C C、增大水蒸气浓度、增大水蒸气浓度 D D、增大、增大COCO浓度浓度练一练：练一练：C4、关于氨的合成工业的下列说法正确的是、关于氨的合成工业的下列说法正确的是（）(A)(A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占从合成塔出来的气体，其中氨一般占15%15%，所以，所以生产氨的工业的效率都很低生产氨的工业的效率都很低(B)(B)由于由于NHNH3 3易液化，易液化，N N2 2、H H2 2可循环使用，则总的说可循环使用，则总的说来氨的产率很高来氨的产率很高(C)(C)合成氨工业的反应温度控制在合成氨工业的反应温度控制在500 500 左右，目左右，目的是使平衡向正反应方向进行的是使平衡向正反应方向进行(D)(D)合成氨工业采用合成氨工业采用2020 MPa-50MPa 50MPa，是因该条，是因该条件下催化剂的活性最好件下催化剂的活性最好B练一练练一练：