12 合成氨条件的选择.ppt

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1、目录目录1、合成氨的化学反应方程式、特点、合成氨的化学反应方程式、特点2、分析合成氨的合适条件、分析合成氨的合适条件3、工业上合成氨的合适条件、工业上合成氨的合适条件4、选择适宜化工生产条件的原则、选择适宜化工生产条件的原则7、练习、练习目目 录录 6、小结、小结5、合成氨工业发展前景、合成氨工业发展前景8、哈伯和哈伯法合成氨背景资料、哈伯和哈伯法合成氨背景资料目录目录合成氨条件的选择合成氨条件的选择梅山高级中学梅山高级中学 韩菊仙韩菊仙目录目录资料资料 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖1918年颁给了德国化学家年颁给了德国化学家 哈伯哈伯（F.Haber）1931年颁给了德国化学家年颁给了德国化学家

2、 波施波施（C.Bosch）哈伯哈伯（F.Haber）（1868-1934）是是他他发明了合成氨方法，发明了合成氨方法，并投入了生产；并投入了生产；因发明和改进化学高压技术。因发明和改进化学高压技术。赞扬赞扬哈伯哈伯的人说：他是天使，为人类带来的人说：他是天使，为人类带来丰收和喜悦，是用空气制造面包的圣人；丰收和喜悦，是用空气制造面包的圣人；诅咒他的人说：他是魔鬼，给人类带来灾诅咒他的人说：他是魔鬼，给人类带来灾难、痛苦和死亡难、痛苦和死亡 P 58 化学史话化学史话目录目录合成氨工业的发展历程合成氨工业的发展历程1、用、用N2、H2为为原料合成氨的工业生产，曾原料合成氨的工业生产，曾是一个很

3、艰巨的课题。是一个很艰巨的课题。1900年，法国化学家勒夏特列认为，年，法国化学家勒夏特列认为，N2、H2可以在高压下直接化合成氨。但在用实验可以在高压下直接化合成氨。但在用实验验证时发生了爆炸，于是他觉得有危险，放验证时发生了爆炸，于是他觉得有危险，放弃了研究。弃了研究。稍后，德国化学家能斯特，通过计算认为稍后，德国化学家能斯特，通过计算认为合成氨不能实现。使合成氨又惨遭厄运。合成氨不能实现。使合成氨又惨遭厄运。德国化学家哈伯知难而进，德国化学家哈伯知难而进，1908年年7月在实月在实验室验室目录目录用用N2、H2 在在600、200个大气压，合成出个大气压，合成出氨氨,产率为产率为2。19

4、111913年短短两年内年短短两年内产率不仅提高了，而且合成出了产率不仅提高了，而且合成出了1000吨液吨液氨。氨。1918年获得了诺贝尔化学奖。年获得了诺贝尔化学奖。以后，合成氨技术又有了很多改进，使以后，合成氨技术又有了很多改进，使合成氨产量不断提高。合成氨产量不断提高。我国我国有合成氨生产企业有合成氨生产企业570多家，其中多家，其中2004年产量达年产量达30万吨以上的有万吨以上的有30家，超过家，超过50万吨的已有万吨的已有4家。预计今年全国合成氨产量家。预计今年全国合成氨产量有可能超过有可能超过46004600万吨，比上年增产约万吨，比上年增产约380380万万吨。产量位居世界第一

5、。吨。产量位居世界第一。我国我国合成氨生产情况怎样？合成氨生产情况怎样？目录目录 假如你自己就是一个合成氨工厂的厂假如你自己就是一个合成氨工厂的厂长，你最关心的是什么？对整个生产过程长，你最关心的是什么？对整个生产过程会有怎样的要求？（常温常压下，合成氨会有怎样的要求？（常温常压下，合成氨的反应进行得非常慢，几乎不能觉察的反应进行得非常慢，几乎不能觉察P57)P57)提高单位工作时间内产品的产量以及原提高单位工作时间内产品的产量以及原料的利用率，提高合成氨的生产效益。料的利用率，提高合成氨的生产效益。目录目录问题问题1 请同学们写出合成氨的化学反应方请同学们写出合成氨的化学反应方程式，并分析这

6、个反应有什么特点？程式，并分析这个反应有什么特点？特点：特点：a、可逆反应可逆反应b、正反应为放热反应正反应为放热反应c、正反应是气体体积缩小的反应。正反应是气体体积缩小的反应。N2(g)+3H2(g)2NH3(g)+112.64 KJ目录目录问题问题2 要提高合成氨的生产效益，具体应从哪要提高合成氨的生产效益，具体应从哪 些方面来考虑？些方面来考虑？要使氨生成得更快（即提高单要使氨生成得更快（即提高单位时间里氨的产量）位时间里氨的产量）化学反应速率问题化学反应速率问题要使氨生成得更多（即提高平衡要使氨生成得更多（即提高平衡混合物里氨的含量）混合物里氨的含量）化学平衡问题化学平衡问题提提高高合

7、合成成氨氨的的生生产产效效益益目录目录讨论讨论 针对反应特点，根据外界条件对化学反应速率的影响，针对反应特点，根据外界条件对化学反应速率的影响，说明要使合成氨的化学反应速率增大，应采取哪些措施？应用化说明要使合成氨的化学反应速率增大，应采取哪些措施？应用化学平衡移动原理，说明要提高平衡混合物中氨气的含量，应采取学平衡移动原理，说明要提高平衡混合物中氨气的含量，应采取哪些措施？哪些措施？合成氨反应合成氨反应N N2 2+3H+3H2 2 2NH 2NH3 3（正反应为放热反应）正反应为放热反应）使使NH3生成得快生成得快（从反应速率分析）（从反应速率分析）使使NH3生成得多生成得多（从化学平衡分

8、析）（从化学平衡分析）压强压强温度温度催化剂催化剂浓度浓度目的目的选择选择条件条件高压高压高温高温使用催化剂使用催化剂增大反应物浓度增大反应物浓度高压高压低温低温无影响无影响增大反应物浓度增大反应物浓度 减小生成物浓度减小生成物浓度目录目录请同学们对比下表的实验数据，检查自己的理论请同学们对比下表的实验数据，检查自己的理论推断是否正确。推断是否正确。目录目录分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合成氨的合适条件成氨的合适条件。结结 论论从反应速率的角度看：从反应速率的角度看：温度越高、温度越高、压强越大，化学反应越快，压强越大，化学反应越快，使用使用

9、合适的催化剂，反应加快，单位合适的催化剂，反应加快，单位时间内生成的时间内生成的NH3越多；越多；从化学平衡的角度看：从化学平衡的角度看：高压、低高压、低温，平衡时生成物温，平衡时生成物NH3的含量的含量（体积分数）高。（体积分数）高。目录目录讨论讨论1、既然增大压强可提高反应速率，又可提高氨、既然增大压强可提高反应速率，又可提高氨的含量，那么在合成氨工业中压强是否越大越的含量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？好？2、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么在合成氨工业中温度是否越低越好？动，那么在合成氨工业中温度是否越低越好？3、催化剂对化学

10、平衡没有影响，在合成氨工业、催化剂对化学平衡没有影响，在合成氨工业中是否需要使用催化剂？中是否需要使用催化剂？一、合成氨的适宜条件一、合成氨的适宜条件提示提示 综合考虑化学反应速率和化学平衡移动综合考虑化学反应速率和化学平衡移动的原理，再根据工业生产特点和实际需要，选择的原理，再根据工业生产特点和实际需要，选择合成氨的适宜条件。合成氨的适宜条件。条件条件条件条件目录目录讨论讨论从表从表2-3数据表明，即使在数据表明，即使在500C和和30MPa的条的条件下，平衡混和物中氨的含量仅达件下，平衡混和物中氨的含量仅达26.4%，即，即转化率仍不够大，为了使平衡向生成氨的方向转化率仍不够大，为了使平衡

11、向生成氨的方向移动，提高移动，提高N2、H2的转化率的转化率,还可以采取哪些措还可以采取哪些措施？施？条件条件目录目录使用催化剂：使用催化剂：可以大大加快化学反应速可以大大加快化学反应速率，提高生产效率，也提高了经济效益率，提高生产效率，也提高了经济效益合合成成氨氨的的适适宜宜条条件件选择合适的温度：选择合适的温度：500左右，提高反应左右，提高反应速率，又是合成氨催化剂的活性温度；速率，又是合成氨催化剂的活性温度；选择合适的压强：选择合适的压强：20MPa50MPa，有利有利于氨的合成，该压强下进行生产，对动于氨的合成，该压强下进行生产，对动力、材料、设备等来说正合适。力、材料、设备等来说正

12、合适。浓度：浓度：将氨气液化后及时分离出来，所将氨气液化后及时分离出来，所得原料气（过量得原料气（过量N2、H2）循环使用，并循环使用，并及时补充及时补充N2、H2返回讨论9返回讨论10目录目录合成氨的化学反应原理合成氨的化学反应原理 N2+3H2 2NH3铁触媒铁触媒 500C20MPa-50MPaP 58 思考与讨论思考与讨论目录目录目录目录合成氨工业的主要流程：合成氨工业的主要流程：目录目录合成氨生产示意图合成氨生产示意图目录目录氢氮混和气水冷器循环压缩机合成氨简要流程示意图液氨合合成成塔塔氨氨分分离离器器目录目录讨论讨论 工业上选择适宜化工生产条件要坚持工业上选择适宜化工生产条件要坚持

13、 什么原则？什么原则？选选择择适适宜宜生生产产条条件件原原则则1、注意外界条件对化学反应速率和化、注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，还要注意对化学学平衡影响的一致性，还要注意对化学反应速率和化学平衡影响的矛盾性；反应速率和化学平衡影响的矛盾性；2、既要注意温度、催化剂对速率影响、既要注意温度、催化剂对速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制；温度的限制；3、既要注意理论上的需要，又要注意、既要注意理论上的需要，又要注意实践中的可能性实践中的可能性目录目录小结小结合合成成氨氨的的适适宜宜条条件件压强：压强：20MPa-50MPa温度：温度

14、：500C左右左右催化剂：铁触媒催化剂：铁触媒浓度：将氨气液化后及时分离出浓度：将氨气液化后及时分离出来，所得原料气（过量来，所得原料气（过量N2、H2）循环使用，并及时补充循环使用，并及时补充N2、H2N2+3H2 2NH3铁触媒铁触媒 500C 20MPa-50MPa合成氨的反应原理：合成氨的反应原理：思考题练习题背景资料目录目录【练习练习】硫酸工业中有一步反应为：硫酸工业中有一步反应为：2SO2SO2 2(g)+O(g)+O2 2(g)2SO(g)2SO3 3(g)(g)(正反应为放热反应正反应为放热反应)；合合成成氨氨反反应应为为：(正正反反应应为为放热反应放热反应)。两两个个反反应应

15、的的条条件件是是否否相相同同？从从化化学学平平衡衡角角度度分分析析两个反应特点是否相同？试分析其中原因。两个反应特点是否相同？试分析其中原因。5005000 0C C V V2 2O O5 5N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3 Fe Fe、5005000 0C C20MPa20MPa50MPa50MPa（已知常压下平衡时（已知常压下平衡时SO3的体积分数为的体积分数为91）目录目录巩固练习巩固练习1.对于合成氨的反应来说对于合成氨的反应来说,使用催化剂和施加高压使用催化剂和施加高压,下列叙述中正确的是下列叙述中正确的是()A.都能提高反应速率都能提高反应速率,都对化学平衡状态无

16、影响都对化学平衡状态无影响B.都对化学平衡状态有影响都对化学平衡状态有影响,都不影响达到平衡都不影响达到平衡状态所用的时间状态所用的时间C.都能缩短达到平衡状态的时间都能缩短达到平衡状态的时间,只有压强对化只有压强对化学平衡状态有影响学平衡状态有影响D催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间催化剂能缩短反应达到平衡状态所用的时间,而压强无此作用而压强无此作用C返回小结目录目录2、在一密闭容器中，、在一密闭容器中，N2、H2合成氨的反应已达到合成氨的反应已达到平衡。此时再往容器中通入一定量平衡。此时再往容器中通入一定量N2,保持温度和保持温度和容器体积不变，当反应再次达到平衡时，与第一容器体积不变

17、，当反应再次达到平衡时，与第一次平衡状态相比（）次平衡状态相比（）（）（）的百分含量增大的百分含量增大（）（）的浓度增大的浓度增大（）（）的转化率提高的转化率提高（）（）的转化率提高的转化率提高目录目录3、在合成氨工业中，为增加、在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是：（变化过程不能使平衡向右移动的是：（）(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500 左右的高温左右的高温(D)采用采用20 0 MPa-50MPa的压强的压强B C目录目录4、在合成氨时，可以提高、在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（转

18、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)充入充入过量过量N2 (D)升高温度升高温度C目录目录5、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%，所以生，所以生产氨的工业的效率都很低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，则总的说来氨可循环使用，则总的说来氨的产率很高的产率很高(C)(C)合成合成氨工业的反应温度控制在氨工业的反应温度控制在500 500 左右，目的左右，

19、目的是使平衡向正反应方向进行是使平衡向正反应方向进行(D)(D)合成合成氨工业采用氨工业采用2020 MPa-50MPa 50MPa，是因该条件是因该条件下催化剂的活性最好下催化剂的活性最好B目录目录6、在一定条件下，将、在一定条件下，将N N2 2和和H H2 2的混和气体通入固定容积的的混和气体通入固定容积的密闭容器中进行合成氨反应：密闭容器中进行合成氨反应：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3(正正反应为放热反应反应为放热反应)下列图像表示正确的是：下列图像表示正确的是：（）A C(A)(B)(C)(D)目录目录7.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

20、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D目录目录8.对于反应对于反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)下列判断正确的是下列判断正确的是()A.2体积体积SO2和足量和足量O2反应反应,必定生成必定生成2体积体积SO3 B.其他条件不变其他条件不变,增大压强增大压强,平衡向右移动平衡向右移动C.平衡时平衡时,SO2消耗速率必定等于消耗速率必定等于O2的生成速率的生成速率 的两倍的两倍D.平衡时平衡时,SO2浓度必定等

21、于浓度必定等于O2浓度的两倍浓度的两倍.BC目录目录9.在一定条件下在一定条件下,合成氨反应达到平衡后合成氨反应达到平衡后,混合混合气体中气体中NH3的体积占的体积占25%,若反应前后条件保持若反应前后条件保持不变不变,则反应后缩小的气体体积与原反应物体则反应后缩小的气体体积与原反应物体积的之比是积的之比是()A B C DA目录目录目录目录背景资料背景资料哈伯和哈伯法合成氨哈伯和哈伯法合成氨 1919世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑世纪以前，一些有远见的化学家指出：考虑到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我到将来的粮食问题，为了使子孙后代免于饥饿，我们必须寄希望于科学家能实现大气

22、固氮。因此将空们必须寄希望于科学家能实现大气固氮。因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式，在在2020世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和重大课题。哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一。理论研究的化学家之一。返回前景返回前景目录目录利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的利用氮、氢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，约经历了课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历了150150年的年

23、的时间。时间。17951795年有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在年有人试图在常压下进行氨合成，后来又有人在5050个大气压下试验，结果都失败了。个大气压下试验，结果都失败了。1919世纪下半叶，物理化世纪下半叶，物理化学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆学的巨大进展，使人们认识到由氮、氢合成氨的反应是可逆的，增加压力将使反应推向生成氨的方向：提高温度会将反的，增加压力将使反应推向生成氨的方向：提高温度会将反应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化应移向相反的方向，然而温度过低又使反应速度过小；催化剂对反应将产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供剂对反应将

24、产生重要影响。这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导。当时物理化学的权威、德国的了理论指导。当时物理化学的权威、德国的能斯特能斯特就明确指就明确指出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一些实出：氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一些实验数据。法国化学家验数据。法国化学家勒夏特里勒夏特里第一个试图进行高压合成氨的第一个试图进行高压合成氨的实验，但是由于氮氢混和气中混进了氧气，引起了爆炸，使实验，但是由于氮氢混和气中混进了氧气，引起了爆炸，使他放弃了这一危险的实验。在物理化学研究领域有很好基础他放弃了这一危险的实验。在物理化学研究领域有很好基础的的哈伯哈伯决心攻克这一令人生畏的难题

25、。决心攻克这一令人生畏的难题。返回前景返回前景目录目录哈伯首先进行一系列实验，探索合成氨的最佳哈伯首先进行一系列实验，探索合成氨的最佳物理化学条件。在实验中他所取得的某些数据与能物理化学条件。在实验中他所取得的某些数据与能斯特的有所不同，他并不盲从权威，而是依靠实验斯特的有所不同，他并不盲从权威，而是依靠实验来检验，终于证实了能斯特的计算是错误的。在一来检验，终于证实了能斯特的计算是错误的。在一位来自英国的学生位来自英国的学生洛森诺洛森诺的协助下，哈伯成功地设的协助下，哈伯成功地设计出一套适合于高压实验的装置和合成氨的工艺流计出一套适合于高压实验的装置和合成氨的工艺流程，这流程是：程，这流程是

26、：在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽，可在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽，可以获得几乎等体积的一氧化碳和氢气的混和气体。以获得几乎等体积的一氧化碳和氢气的混和气体。其中的一氧化碳在催化剂的作用下，进一步与水蒸其中的一氧化碳在催化剂的作用下，进一步与水蒸汽反应，得到二氧化碳和氢气。然后将混和气体在汽反应，得到二氧化碳和氢气。然后将混和气体在一定压力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了较一定压力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了较纯净的氢气。同样将水蒸汽与适量的空气混和通过纯净的氢气。同样将水蒸汽与适量的空气混和通过红热的炭，空气中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧红热的炭，空气中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸

27、收除掉，从而得到了所需要的氮气。化碳而被吸收除掉，从而得到了所需要的氮气。返回前景返回前景目录目录氮气和氢气的混和气体在高温高压的条件下及氮气和氢气的混和气体在高温高压的条件下及催化剂的作用下合成氨。但什么样的高温和高压条催化剂的作用下合成氨。但什么样的高温和高压条件为最佳？以什么样的催化剂为最好？这还必须花件为最佳？以什么样的催化剂为最好？这还必须花大力气进行探索。以楔而不舍的精神，经过不断的大力气进行探索。以楔而不舍的精神，经过不断的实验和计算，实验和计算，哈伯终于在哈伯终于在19091909年年取得了鼓舞人心的取得了鼓舞人心的成果。这就是在成果。这就是在600600的高温、的高温、200

28、200个大气压和锇为个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为催化剂的条件下，能得到产率约为8 8的合成氨的合成氨。8 8的转化率不算高，当然会影响生产的经济效益。的转化率不算高，当然会影响生产的经济效益。哈怕知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高哈怕知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高的转化率，在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化的转化率，在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化率几乎接近于率几乎接近于100100。怎么办？哈伯认为若能使反应。怎么办？哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把气体在高压下循环加工，并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来，则这个工艺过程是可行的。反应生成的氨分离出来，则这个工艺过程是可行的。于是他成功地设计了原料气的循环工艺于是他成功地设计了原料气的循环工艺。这就是。这就是合合成氨的哈伯法成氨的哈伯法。返回小结返回前景返回前景