yfy化学反应条件的优化工业合成氨

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化学反应条件的优化,工业合成氨,化学反应原理第2章第4节,1,复习,影响化学反应速率和化学平衡的重要因素有哪些?,温度越高,反应速率越大,压强越大,反应速率越大,正催化剂加快反应速率,反应物浓度越大,反应速率越大,升高温度,平衡向吸热方向移动,增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动,催化剂对平衡无影响,增大反应物浓度,平衡正向移动,2,研究课题：,化学,反应条件的优化,工业合成氨,3,弗里茨哈伯：,用空气制造面包的人,4,用空气制造面包的人,19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，在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题。德国化学家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,他终于在1913年实现了合成氨的工业生产，满足了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”,5,合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约,150年,的时间。德国科学家哈伯在,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化剂，,2,年间他们就进行了多达,6500,次试验，测试了,2500,种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂-铁，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于,1918,年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。,6,化学反应N,2(g),+3H,2(g),2NH,3(g),看起来十分的简单，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那么庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？,7,化学热力学,化学动力学,化学反应的方向,化学反应的限度,化学反应的速率,合成氨反应能否自发进行,？,怎样能促使化学平衡向合成氨方向移动,？,怎样能提高合成氨反应速率,？,适宜的合成氨条件,工艺流程,化学工艺学,高压对设备材质、,加工制造的要求、温度,的催化剂活性的影响等,8,分析：,合成氨的反应特点,N,2,+3H,2,2NH,3,_反应,正反应为_反应,正反应为气体体积_的反应,反应特点,请根据正反应的焓变和熵变分析在298,K,下合成氨反应能否自发进行？,可逆,放热,减小,能自发进行,已知298,K时: H= -92.2KJmol,-1,S = -198.2JK,-1,mol,-1,9,一、,合成氨的反应限度,请同学们根据合成氨反应的特点，利用,影响,化学平衡移动,的因素,，分析什么条件,有利,于氨生成的多,？,_温、_压有利于化学平衡正向移动；N,2,、H,2,浓度比为_时平衡混合物中氨的含量最高；及时把氨从平衡混合气中分离出去。,高,低,1：3,10,【,交流,研讨,】,1、你认为可以通过控制那些反应条件来提高合成氨反应的,速率,？,课本P66,升高温,度,增大压,强,增大反应物浓度,使用催化剂,11,【,交流,研讨,】,2、,实验研究表明,，在特定条件下，合成氨反应的速率与反应的物质的浓度的关系为:, =C(N,2,)C,1.5,(H,2,)C,-1,(NH,3,),请你根据关系式分析：各物质的,浓度对反应,速率,有哪些影响？可以采取哪些措施来提高反应,速率,？,课本P66,增大,N,2,H,2,浓度,将氨及时从,混合气中分离出去,12,3、请你根据下表所给的数据分析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,条件, E /KJ/mol,k(催)/k(无),无催化剂,335,3.410,12,(700k),使用Fe催化剂,167,使用催化剂可使合成氨反应,的速率提高,上万亿倍,。,13,升,高温,度；增大,压,强；,增大N,2,、,H,2,浓度，将氨及时从混合气中分离出去；使用催化剂,二、合成氨反应的速率,14,生成物氨的浓度,反应物的浓度,催化剂,温度,压强,速率分析,使NH,3,生产得,快,外界条件,高压,高温,使用,增大浓度,减小浓度,平衡分析,使NH,3,生产得,多,高压,低温,无影响,增大浓度,减小浓度,据合成氨反应的特点应分别采取什么措施提高反应的平衡转化率和反应速率？请填写下表,15,【交流研讨,】,1,、既然增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越大越好？,压强怎么定？,2,、既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？,3,、,催化剂对化学平衡的移动没有影响，,在合成氨工业中要不要,使用催化剂,，为什么？,温度怎么选择？,要不要用催化剂？,16,压强怎么选？,分析：,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，所以理论上压强越大越好。,但是压强越大，对,设备,的要求高、压缩H,2,和N,2,所需要的,动力,大，因此选择压强应符合实际科学技术。,综合以上两点,:根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。,实际生产中压强一般选择在,10,7,10,8,Pa,之间。,17,温度怎么选择？,分析：,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。,可是温度越低，反应,速率越小,，达到平衡所需要的时间越,长,，因此温度也不宜太低。,催化剂,要在一定温度下催化,活性,最大。,综合以上因素,:实际生产中温度一般选择在,700K,左右,（且在此温度时催化剂的活性最大）,18,用不用催化剂？,实际生产中选用,铁,为主体的催化剂。,分析:,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,。,19,浓度怎么定？ N,2,和H,2,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，在氮气和氢气的物质的量比为,1：3,时，平衡,转化率最大,，但是,实验测得,适当提高,N,2,的浓度，即N,2,和H,2,的物质的量比为,1：2.8,时，更能加快合成氨反应的进行。,实际生产中的处理方法,：,N,2,和H,2,的物质的量比为,1：2.8,的投料比；,及时将气态氨冷却,液化分离,出去；将氮气和氢气,循环,利用。,20,研讨的结果,根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压、高压三种（,在10,7,10,8,Pa之间）,700K左右,使用铁作催化剂,N,2,和H,2,的物质的量比为,1：2.8,的投料比,氨及时从混合气中分离出去,三、合成氨的适宜条件,21,【,总结,】,22,工业上利用某可逆反应生产产品：,一般要,使用催化剂,：这样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；,选择,合适的温度,：该温度是催化剂活性最大的温度；,选择,合适的压强,：既要考虑化学反应速率和化学平衡，还要考虑动力、材料、设备等。,【,小结反思,】,23,24,25,26,27,28,29,30,1914年第一次世界大战一开始，英国就从海上封锁德,国从智利进口硝石。于是人们预言，德国得不到智利硝,石，农田将缺乏肥料，炸药工厂也将停产，那么德国最,迟在1915年或1916年便要自动投降。可是1916年过,去了，德国还在顽强地战斗，农田照样一派浓绿。前,线的炮火反而更加猛烈。原来德国以哈伯为首的,一批化学家克服了当时的世界化学难题以价廉的,空气、水和煤炭合成了重要的化工原料：氨的合成促,使了氮肥工业的飞速发展，特别是以氨气为主要原料,生产的高效氮肥尿素，使得世界上近亿人免除了,饥荒。,弗里茨哈伯：,31,哈伯与诺贝尔化学奖,翻阅诺贝尔化学奖的记录，就能看到处19161917年没,有颁奖，因为这期间，欧洲正经历着第一次世界大战，,1918年颁了奖， 化学奖授予德国化学家哈伯。这引起了,科学家的议论，英法等国的一些科学家公开地表示反对，,他们认为，哈伯没有资格获得这一荣誉。这究竟是为什么？,一些英、法科学家认为哈伯没有资格获取诺贝尔奖，原,因何在？有人曾认为，假若没有合成氨工业的建立，德国,就没有足够的军火储备，军方就不敢贸然发动第一次世界,大战。有了合成氨工业，就可以将氨氧化为硝酸盐以保证,火药的生产，否则仅依靠智利的硝石，火药就无法保证。,当然某些科学的发明创造被用于非正义的战争，科学家,是没有直接责任的。英、法科学界对哈伯的指责更多地,集中在哈伯在第一次世界大战中的表现。,32,1914年世界大战爆发，民族沙文主义所煽起的盲目的爱国,热情将哈伯深深地卷入战争的漩涡。他所领导的实验室成,了为战争服务的重要军事机构：哈伯承担了战争所需的材,料的供应和研制工作，特别在研制战争毒气方面。他曾错,误地认为，毒气进攻乃是一种结束战争、缩短战争时间的,好办法，从而担任了大战中德国施行毒气战的科学负责人。,根据哈伯的建议， 1915年1月德军把装盛氯气的钢瓶放在,阵地前沿施放，借助风力把氯气吹向敌阵。第一次野外试,验获得成功。该年4月22日在德军发动的伊普雷战役中，,在6公里宽的前沿阵地上，在5分钟内德军施放了180吨氯,气，约一人高的黄绿色毒气借着风势沿地面冲向英法阵地,（氯气比重较空气大，故沉在下层，沿着地面移动），进,入战壕并滞留下来。这股毒浪使英法军队感到鼻腔、咽喉,的痛，随后有些人窒息而死。这样英法士兵被吓得惊慌失,措，四散奔逃。,33,据估计，英法军队约有15000人中毒。这是军事史上第一次,大规模使用杀伤性毒剂的现代化学战的开始。此后，交战,的双方都使用毒气，而且毒气的品种有了新的发展。毒气,所造成的伤亡，连德国当局都没有估计到。然而使用毒气,，进行化学战，在欧洲各国遭到人民的一致遣责。科学家,们更是指责这种不人道的行径。鉴于这一点，英、法等国,科学家理所当然地反对授予哈伯诺贝尔化学奖。哈伯也因,此在精神上受到很大的震动，战争结束不久，他害怕被当,作战犯而逃到乡下约半年。,34,1在合成氨工业中，为增加NH,3,的日产量，下列变化过程不能使平衡向右移动的是（ ）,（A）不断将NH,3,分离出来,（B）使用催化剂,（C）采用700K左右的高温,（D）采用210,7,510,7,Pa的压强,练一练：,BC,35,2、合成氨所需的H,2,可由煤和水蒸气反应而制得，其中一步的反应为：,CO,(g),+H,2,O,（g）,CO,2(g),+H,2(g),（正反应放热），下列措施中，能提高CO转化率的是（ ）,A、增大压强 B、降低温度,C、增大水蒸气浓度 D、增大CO浓度,BC,36,3、在合成氨时，可以提高H,2,转化率的措施是（ ）,(A)延长反应时间 (B)充入过量H,2,(C)充入,过量N,2,(D)升高温度,C,37,4、关于氨的合成工业的下列说法正确的是 （ ）,(A)从合成塔出来的气体，其中氨一般占15%，所以生产氨的工业的效率都很低,(B)由于NH,3,易液化，N,2,、H,2,可循环使用，则总的说来氨的产率很高,(C)合成,氨工业的反应温度控制在500,左右，目的是使平衡向正反应方向进行,(D),合成,氨工业采用20,MPa,-,50MPa ，是因该条件下催化剂的活性最好,B,38,5.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：X,2,(g)+2Y,2,(g),X,2,Y,4,(g),（正反应为放热反应）( ),A.高温 高压 B.低温 低压,C.高温 低压 D.高压 低温,D,39,6.对于反应:,2SO,2,(g)+O,2,(g),2SO,3,(g),下列判断正确的是( ),A.2体积,SO,2,和足量,O,2,反应,必定生成2体积,SO,3,B.其他条件不变,增大压强,平衡向右移动,C.平衡时,SO,2,消耗速率必定等于,O,2,的生成速率,的两倍,D.平衡时,SO,2,浓度必定等于,O,2,浓度的两倍.,BC,40,