化學(xué)：2.4《化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨》課件（魯科版選修4）

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1、 了 解 如 何 應(yīng) 用 化 學(xué) 反 應(yīng) 速 率 和 化 學(xué) 平 衡 原理 分 析 合 成 氨 的 適 宜 條 件 了 解 應(yīng) 用 化 學(xué) 反 應(yīng) 原 理 分 析 化 工 生 產(chǎn) 條 件的 思 路 和 方 法 ， 體 驗 實 際 生 產(chǎn) 的 選 擇 與 理論 分 析 的 差 異 ; 通 過 對 合 成 氨 適 宜 條 件 的 分 析 ， 認 識 化 學(xué)反 應(yīng) 速 率 和 化 學(xué) 平 衡 的 調(diào) 控 在 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中的 重 要 作 用 。 應(yīng) 用 化 學(xué) 反 應(yīng) 速 率 和 化 學(xué) 平 衡 原 理 選 擇 合成 氨 的 適 宜 條 件 閱 讀 資 料 19世 紀 以 前 ， 一 些 有 遠

2、 見 的 化 學(xué) 家 指 出 ： 考慮 到 將 來 的 糧 食 問 題 ， 為 了 使 子 孫 后 代 免 于 饑 餓 ，我 們 必 須 寄 希 望 于 科 學(xué) 家 能 實 現(xiàn) 大 氣 固 氮 。 因 此將 空 氣 中 豐 富 的 氮 固 定 下 來 并 轉(zhuǎn) 化 為 可 被 利 用 的形 式 ， 在 20世 紀 初 成 為 一 項 受 到 眾 多 科 學(xué) 家 注 目和 關(guān) 切 的 重 大 課 題 。 德 國 化 學(xué) 家 哈 伯 就 是 從 事 合成 氨 的 工 藝 條 件 試 驗 和 理 論 研 究 的 化 學(xué) 家 之 一 ,他 終 于 在 1913年 實 現(xiàn) 了 合 成 氨 的 工 業(yè) 生

3、產(chǎn) ， 滿 足了 20世 紀 人 口 由 30億 增 至 60億 對 糧 食 的 需 求 ， 因此 人 們 贊 揚 哈 伯 是 “ 用 空 氣 制 造 面 包 的 圣 人 ” 。 利 用 氮 、 氫 為 原 料 合 成 氨 的 工 業(yè) 化 生 產(chǎn) 曾 是 一個 較 難 的 課 題 ， 從 第 一 次 實 驗 室 研 制 到 工 業(yè) 化 投產(chǎn) ， 約 經(jīng) 歷 了 150年 的 時 間 。 化 學(xué) 反 應(yīng) N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看 起 來 十 分 的 簡 單 ，為 什 么 合 成 氨 的 工 業(yè) 化 生 產(chǎn) 會 經(jīng) 歷 如 此 漫 長 的 過程 ？ 合 成 氨 工 廠 為 什 么

4、 需 要 那 么 龐 大 而 復(fù) 雜 的 生產(chǎn) 設(shè) 備 和 特 殊 的 生 產(chǎn) 條 件 ？要 實 現(xiàn) 合 成 氨 的 工 業(yè) 化 生 產(chǎn) ， 必 須 從 化學(xué) 熱 力 學(xué) 和 化 學(xué) 動 力 學(xué) 兩 個 方 面 選 擇 合成 氨 的 反 應(yīng) 條 件 化 學(xué) 反 應(yīng)的 方 向化 學(xué) 反 應(yīng)的 限 度化 學(xué) 反 應(yīng)的 速 率 合 成 氨 反應(yīng) 能 否 自發(fā) 進 行怎 樣 能 促使 化 學(xué) 平衡 向 合 成氨 方 向 移動怎 樣 能提 高 合成 氨 反應(yīng) 速 率 適宜的合成氨條件 工藝流程化 學(xué) 工 藝 學(xué)高 壓 對 設(shè) 備 材 質(zhì) 、加 工 制 造 的 要 求 、 溫 度 的 催 化 劑 活 性

5、的 影 響 等 合 成 氨 反 應(yīng) 的 特 點 ： 可 逆 反 應(yīng) 正 反 應(yīng) 氣 體 體 積 縮 小 正 反 應(yīng) 是 放 熱 反 應(yīng) 熵 減 小 的 反 應(yīng)N2(g)+3H 2(g) 2NH 3(g) H -92.4kJ/mol(1體 積 ) (3體 積 ) (2體 積 ) 不 同 條 件 下 平 衡 混 合 氣 中 氨 的 含 量 (體 積 分 數(shù) ) (原 料 其 中 N2和 H 2的 體 積 比 是 1:3 ) 31.457.579.892.698.81108Pa23.142.265.284.295.46107Pa9.119.138.264.286.42107Pa4.510.625.1

6、52.081.51107Pa 13.826.447.071.089.93107Pa0.050.10.42.215.3 1105Pa 4000C 600 0C 5000C 3000C 2000C 壓強氨 含 量溫 度 討 論 ： 能 否 用 過 量 氮 氣 提 高 氫 氣 轉(zhuǎn)化 率 ？ 工 業(yè) 合 成 氨 是 否 采 用 此 方 法 ？1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6 0.60.50.40.30.20.1NH 3% N 2:H 2 使 氨 生 產(chǎn) 快（ 速 率 分 析 ） 使 氨 生 成 多(平 衡 分 析 ） 壓 強 溫 度 催 化劑 高 壓高 溫使 用 高 壓低 溫不 影 響

7、選擇適宜生產(chǎn)條件的原則：(1)既 要 注 意 外 界 條 件 對 二 者 影 響 一致 性 ,又 要 注 意 對 二 者 影 響 的 矛 盾 性 。(2)既 要 注 意 溫 度 、 催 化 劑 對 速 率 影響 的 一 致 性 ,又 要 注 意 催 化 劑 的 活 性對 溫 度 的 限 制 。(3)既 要 注 意 理 論 上 的 需 要 ,又 要 注 意實 際 可 能 性 。 適 宜 條 件 : (速 率 較 快 ,轉(zhuǎn) 化 率 適 中 催 化 劑 活 性 最 大 )溫 度 : 700K壓 強 : 2 10 5 10 Pa（ 200 500atm）7 7(有 利 于 氨 的 合 成 ,對 動 力

8、 、 材 料 強 度 、設(shè) 備 制 造 要 求 適 中 )催 化 劑 ： 鐵 觸 媒 (以 鐵 為 主 體 的 多 成 分 催 化 劑 ) 使 反 應(yīng) 物 在 較 低 溫 度 下 較 快 的 進 行 反 應(yīng) 。濃 度 ： 將 生 成 的 氨 及 時 從 混 合 氣 中 分 離 出 來 ， 且 向 循 環(huán) 氣 中 不 斷 補 充 N2、 H 2（ 1:2.8)。 例 1 、 能 使 合 成 氨 反 應(yīng) 進 行 程 度 增 大的 方 法 是 （ ）A、 升 高 溫 度 B 、 降 低 壓 強C、 使 用 催 化 劑 D 、 及 時 分 離 出氨 氣 D 例 2、 一 定 溫 度 下 ， 向 一 個

9、 容 積 為 2升 的 事 先 加 入催 化 劑 的 真 空 密 閉 容 器 中 通 入 1molN2和3molH2， 3min后 測 得 容 器 的 壓 強 是 起 始 壓 強 的0.9倍 ， 在 此 時 間 內(nèi) ， 用 H2的 量 的 變 化 來 表 示 該反 應(yīng) 的 平 均 速 率 是 （ ） A、 0.2 mol.L-1.min-1 B 、 0.6 mol.L-1.min-1 C、 0.1 mol.L-1.min-1 D、 0.3 mol.L-1.min-1 C 二、合成氨工業(yè)簡述：1、 主 要 流 程 ：原 料 氣 制 取 凈 化 壓 縮 合 成 分 離 液 氨2、 原 料 氣 制

10、取 ：空 氣 壓 縮碳 液 態(tài) 空 氣 N2(先 逸 出 ) 物 理 方 法蒸 發(fā)CO 2(+N2) N2 化 學(xué) 方 法 分 離 出 CO2制 氮 氣 :（ 造 氣 ） （ 凈 化 ） （ 合 成 氨 ） 制 氫 氣 :水 蒸 氣 CO+H 2 CO2+H 2 H 2 熾 熱 碳 H 2O(氣 ) 分 離 出 CO2 C(S)+H 2O(g) CO(g)+H 2(g)CO(g)+H 2O(g) CO2(g)+H 2(g) 解 放 前 我 國 只 有 兩 家 規(guī) 模 不 大 的 合 成 氨 廠 ； 1949年 全 國 氮 肥 產(chǎn) 量 僅 0.6萬 噸 ； 1982年 達 到 1021.9萬 噸

11、 ， 成 為 世 界 上 產(chǎn) 量 最高 的 國 家 之 一 。 1 在 合 成 氨 工 業(yè) 中 ， 為 增 加 NH3的 日 產(chǎn) 量 ， 下 列 變化 過 程 不 能 使 平 衡 向 右 移 動 的 是 （ ）（ A） 不 斷 將 NH3分 離 出 來（ B） 使 用 催 化 劑（ C） 采 用 700K左 右 的 高 溫（ D） 采 用 2 107 5 107Pa的 壓 強練 一 練 ： BC 2、 合 成 氨 所 需 的 H2可 由 煤 和 水 蒸 氣 反 應(yīng)而 制 得 ， 其 中 一 步 的 反 應(yīng) 為 ：CO(g)+H2O（ g） CO2(g)+H2(g)（ 正 反 應(yīng) 放熱 ） ，

12、下 列 措 施 中 ， 能 提 高 CO轉(zhuǎn) 化 率 的是 （ ）A、 增 大 壓 強 B、 降 低 溫 度 C、 增 大 水 蒸 氣 濃 度 D、 增 大 CO濃 度練 一 練 ：BC 3、 在 合 成 氨 反 應(yīng) 中 ， 入 口 氣 體 體積 比 N2:H 2:NH 3 為 6:18:1， 出 口氣 體 體 積 比 為 9:27:8， 則 H 2的 轉(zhuǎn)化 率 為 _。25% N2+3H 2 2NH 3起 始 6 18 1變 化 X 3X 2X6-X : 1+2X=9:8 X=1.5H 2轉(zhuǎn) 化 率 = 100%=25%1.5 318練 一 練 ： 4、 在 合 成 氨 時 ， 可 以 提 高

13、 H 2轉(zhuǎn) 化 率 的 措 施 是 （ ）(A)延 長 反 應(yīng) 時 間 (B)充 入 過 量 H 2(C)充 入 過 量 N2 (D)升 高 溫 度 C 5、 關(guān) 于 氨 的 合 成 工 業(yè) 的 下 列 說 法 正 確 的 是 （ ）(A)從 合 成 塔 出 來 的 氣 體 ， 其 中 氨 一 般 占 15%， 所以 生 產(chǎn) 氨 的 工 業(yè) 的 效 率 都 很 低(B)由 于 NH3易 液 化 ， N2、 H2可 循 環(huán) 使 用 ， 則 總 的 說來 氨 的 產(chǎn) 率 很 高(C)合 成 氨 工 業(yè) 的 反 應(yīng) 溫 度 控 制 在 500 左 右 ， 目的 是 使 平 衡 向 正 反 應(yīng) 方 向

14、 進 行(D)合 成 氨 工 業(yè) 采 用 20 MPa - 50MPa ， 是 因 該 條件 下 催 化 劑 的 活 性 最 好B 6、 在 一 定 條 件 下 ， 將 N2和 H2的 混 和 氣 體 通 入 固 定 容 積 的密 閉 容 器 中 進 行 合 成 氨 反 應(yīng) ： N2+3H2 2NH3 (正反 應(yīng) 為 放 熱 反 應(yīng) )下 列 圖 像 表 示 正 確 的 是 ： （ ）A C (A) (B) (C) (D) 7.下 列 反 應(yīng) 達 到 平 衡 時 ， 哪 種 條 件 下 生 成 物的 含 量 最 高 ： X2(g)+2Y2 (g) X2Y4 (g) （ 正 反 應(yīng) 為 放 熱

15、反 應(yīng) ） ( )A.高 溫 高 壓 B.低 溫 低 壓 C.高 溫 低 壓 D.高 壓 低 溫D 8.對 于 反 應(yīng) : 2SO2(g)+O2 (g) 2SO3 (g)下 列 判 斷 正 確 的 是 ( )A.2體 積 SO2和 足 量 O2反 應(yīng) ,必 定 生 成 2體 積 SO3 B.其 他 條 件 不 變 ,增 大 壓 強 ,平 衡 向 右 移 動C.平 衡 時 , SO2消 耗 速 率 必 定 等 于 O2的 生 成 速 率 的 兩 倍D.平 衡 時 , SO2濃 度 必 定 等 于 O2濃 度 的 兩 倍 .BC 9.在 一 定 條 件 下 ,合 成 氨 反 應(yīng) 達 到 平 衡 后 ,混 合氣 體 中 NH 3的 體 積 占 25%,若 反 應(yīng) 前 后 條 件 保 持不 變 ,則 反 應(yīng) 后 縮 小 的 氣 體 體 積 與 原 反 應(yīng) 物 體積 的 之 比 是 ( )A B C D51 41 31 21A