工业合成氨课件.ppt

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1、第第4节化学反应条件的优化节化学反应条件的优化工工业合成氨业合成氨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关知应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。识选择合成氨的条件。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了解工业条件选择的依据和原则。了解工业条件选择的依据和原则。课程标准导航课程标准导航新知初探自学导引新知初探自学导引(2)化学反应的特点化学反应的特点该反应是一个能自发进行的、该反应是一个能自发进行的、_热的、热的、气体体积气体体积_的可逆反应。的可逆反应。2合成氨反应的限度分析合成氨反应的限度分析_温度、温度、_压强

2、将有利于化学平压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动，在一定温度、压强衡向生成氨的方向移动，在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为下，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。放放减小减小降低降低增大增大13二、合成氨反应的速率二、合成氨反应的速率增大增大_，使用合理，使用合理_，升高，升高_均均可增大合成氨反应的反应速率。可增大合成氨反应的反应速率。三、合成氨的适宜条件三、合成氨的适宜条件1合成氨反应条件的选择原则合成氨反应条件的选择原则(1)尽量增大反应物的尽量增大反应物的_，充分利用原料；，充分利用原料；(2)选择较快的选择较快的_，

3、提高单位时间内的产量；，提高单位时间内的产量；(3)考虑设备和技术条件。考虑设备和技术条件。反应物浓度反应物浓度催化剂催化剂温度温度转化率转化率速反应率速反应率2合成氨反应的适宜条件合成氨反应的适宜条件(1)压强压强压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中,应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为标来选择压强，大致分为_、_和和_三种类型。三种类型。低压低压中压中压高压高压(2)温度温度温度越高，反应速率温度越高，反应速率_，但不利于氨的合，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在成，在实际生

4、产中一般控制反应温度在_K左右左右(且在此温度时催化剂的活性且在此温度时催化剂的活性_)。(3)催化剂催化剂使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择氨生产一般选择_做催化剂。做催化剂。越大越大700 最大最大铁铁(4)浓度浓度合成氨生产通常采用合成氨生产通常采用N2和和H2物质的量之比为物质的量之比为12.8的投料比，及时将氨气从反应混合物的投料比，及时将氨气从反应混合物中分离出去。此外，还应考虑原料的中分离出去。此外，还应考虑原料的_、未转化的合成气的未转化的合成气的_使用、使用、_的的综合利用等问题。综合利用等问题。价格价格循环循环反应热反

5、应热开放探究1.合成氨工业生产中，为什么采用N2和H2物质的量之比为1 2.8的投料比？提示：由于氮气在催化剂上的吸附为总反应中最难发生的步骤，即影响反应速率的关键步骤，当适当提高氮气的比例，即N2和H2物质的量之比为1 2.8时更能加快合成氨反应的进行。探究导引探究导引2合成氨的工艺流程是怎样的？合成氨的工艺流程是怎样的？提示：提示：合成氨的工艺流程合成氨的工艺流程特别提醒特别提醒工业生产中化学反应条件优化的一般原则工工业生产中化学反应条件优化的一般原则工业生产中业生产中既要考虑反应速率快，又要考虑原既要考虑反应速率快，又要考虑原料利用率高料利用率高，所以在选择生产条件时，应从，所以在选择生

6、产条件时，应从这两方面分析，同时也要考虑实际条件的限这两方面分析，同时也要考虑实际条件的限制。当两者出现矛盾时，两者都要兼顾，特制。当两者出现矛盾时，两者都要兼顾，特别要适应催化剂的活性，如合成氨及合成三别要适应催化剂的活性，如合成氨及合成三氧化硫的温度的选择。压强则在条件允许范氧化硫的温度的选择。压强则在条件允许范围内选择；同时还可围内选择；同时还可增大廉价原料的用量，增大廉价原料的用量，及时分离出产物及时分离出产物，既可以增大反应速率，又，既可以增大反应速率，又可提高平衡转化率。可提高平衡转化率。要点归纳要点归纳1原料气的制取原料气的制取N2：将空气液化、蒸发分离出：将空气液化、蒸发分离出

7、N2或者将空气中或者将空气中的的O2与碳作用生成与碳作用生成CO2，除去，除去CO2后得后得N2。H2：来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。以：来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。以天然气为原料时，反应可简单表示为：天然气为原料时，反应可简单表示为：CH4H2O=CO3H2，COH2O=CO2H2。2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(防止催化防止催化剂中毒剂中毒)，再用压缩机压缩至高压。，再用压缩机压缩至高压。3NH3的合成的合成在合成塔中进行。从塔口进气，经热交换器在合成塔中进行。从塔口进气，经热交换器与塔内反应后的高温气体逆流交换热量后，与塔内反应后的高温

8、气体逆流交换热量后，进入接触室与铁接触反应，从塔上口出气。进入接触室与铁接触反应，从塔上口出气。4NH3的分离的分离混合气经冷却后，进入氨分离器，只有氨气混合气经冷却后，进入氨分离器，只有氨气在该压强下液化得到液氨，而未反应的在该压强下液化得到液氨，而未反应的N2和和H2经循环压缩机压缩后，再通入合成塔中进经循环压缩机压缩后，再通入合成塔中进行反应。行反应。1从化学反应速率和化学平衡两方面考虑从化学反应速率和化学平衡两方面考虑,合成氨应采用的条件是合成氨应采用的条件是()A低温、高压、催化剂低温、高压、催化剂B低温、低压、催化剂低温、低压、催化剂C高温、高压、催化剂高温、高压、催化剂 D适当温

9、度、低压、催化剂适当温度、低压、催化剂2合成氨时，既要使合成氨时，既要使H2的转化率增大，又要使的转化率增大，又要使反应速率增大，可采取的方法是反应速率增大，可采取的方法是()A补充补充H2 B升高温度升高温度C增大压强增大压强 D使用催化剂使用催化剂解析：选解析：选C。补充。补充H2，使反应速率加快，但，使反应速率加快，但H2的转化率降低；升温，反应速率加快，平衡左的转化率降低；升温，反应速率加快，平衡左移，移，H2的转化率降低；增大压强，反应速率加的转化率降低；增大压强，反应速率加快，平衡右移，快，平衡右移，H2的转化率提高；催化剂只能的转化率提高；催化剂只能加快反应速率，而不会提高反应物

10、的转化率加快反应速率，而不会提高反应物的转化率。3在合成氨工业中，达到下列目的的变化在合成氨工业中，达到下列目的的变化过程中与平衡移动无关的是过程中与平衡移动无关的是()为增加为增加NH3的日产量，不断将的日产量，不断将NH3分离出分离出来来为增加为增加NH3的日产量，使用催化剂的日产量，使用催化剂为增加为增加NH3的日产量而采用的日产量而采用1107 Pa1108 Pa的压强的压强为增加为增加NH3的日产量，采用的日产量，采用700 K左右的左右的高温高温A BC D探究导引探究导引1怎样考虑合成氨的适宜条件？怎样考虑合成氨的适宜条件？提示：提示：运用化学反应速率和化学平衡移动原运用化学反应

11、速率和化学平衡移动原理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、理，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素，选择合成氨的适宜条件。设备等因素，选择合成氨的适宜条件。要点突破讲练互动要点突破讲练互动合成氨适宜条件的选择合成氨适宜条件的选择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速率提高化学反应速率性质性质措施措施性质性质措施措施放热放热降低温度降低温度活化能高活化能高加催加催化剂化剂分子数减小分子数减小增大压强增大压强低温时反应低温时反应速率低速率低升高升高温度温度平衡常数不平衡常数不大大降低温度降低温度原料气体浓原料气体浓度增加能提度增加能提高反应速率高反应速率增大增大N2、H2的

12、的浓度浓度氨气浓度降氨气浓度降低使平衡过低使平衡过程正移程正移降低降低NH3浓度浓度氨气浓度增氨气浓度增加能降低反加能降低反应速率应速率分离分离氨气氨气2.合成氨反应的适宜条件合成氨反应的适宜条件因数因数条件条件速率速率平衡平衡其他其他适宜条件适宜条件增大压强增大压强增大增大向右向右移动移动动力、材动力、材料、设备料、设备有限有限2050 MPa的高的高压压升高温度升高温度增大增大向左向左移动移动催化剂在催化剂在700 K时时活性最大活性最大700 K左左右的适宜右的适宜温度温度因数因数条件条件速率速率平平衡衡其他其他适宜条件适宜条件增大反应增大反应物浓度或物浓度或减小生成减小生成物浓度物浓度

13、v正正增增大大v逆逆减减小小向向右右移移动动另一反另一反应物转应物转化率增化率增大不明大不明显显不断补充不断补充N2、H2(12.8)循循环操作环操作及及时分离时分离NH3催化剂催化剂增大增大Fe为主的多为主的多成分催化剂成分催化剂即时应用即时应用(2)若降低温度，会使上述化学平衡向生成氨的方向若降低温度，会使上述化学平衡向生成氨的方向移动，则正反应是移动，则正反应是_反应，生成反应，生成1 mol NH3的热效应数值为的热效应数值为46.1 kJ，则该反应的热化学，则该反应的热化学方程式为方程式为_。(3)合成氨时，选择合成氨时，选择500 高温的目的是高温的目的是_。(4)若反应容器的体积

14、不变，原反应温度不变若反应容器的体积不变，原反应温度不变,而将平衡体系中的混合气体的浓度增大而将平衡体系中的混合气体的浓度增大1倍倍,则上述平衡向则上述平衡向_移动；若在平衡体系移动；若在平衡体系中加入氦气，则上述平衡中加入氦气，则上述平衡_移动。移动。答案：答案：(1)正、逆反应速率各反应物和生成正、逆反应速率各反应物和生成物的浓度物的浓度(合理即可合理即可)正、逆反应动态正、逆反应动态(2)放热放热N2(g)3H2(g) 2NH3(g)H92.2 kJmol1(3)加快化学反应速率且工业上用的催化剂在加快化学反应速率且工业上用的催化剂在此温度时活性最大此温度时活性最大(4)正反应方向不正反

15、应方向不 反应体系中各组分的部分性质见下表反应体系中各组分的部分性质见下表 回答下列问题：回答下列问题：(1)写出该反应的化学平衡常数表达式：写出该反应的化学平衡常数表达式：K_。随着温度升高，。随着温度升高，K值值_(填填“增大增大”、“减小减小”或或“不不变变”)。气体气体氮气氮气氢气氢气氨氨熔点熔点/ 210.01 259.77 77.74沸点沸点/ 195.79 252.23 33.42(2)K值越大，表明值越大，表明_(填字母填字母)。A其他条件相同时其他条件相同时N2的转化率越高的转化率越高B其他条件相同时其他条件相同时NH3的产率越大的产率越大C原料中原料中N2的含量越高的含量越高D化学反应速率越快化学反应速率越快(3)在工业上采取气体循环的流程，即反应后在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过把混合气体的温度降低到通过把混合气体的温度降低到_使使_分离出来；继续循环的气体分离出来；继续循环的气体是是_。