工業(yè)合成氨條件的選擇

工業(yè)合成氨條件的選擇第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日復(fù)習(xí)影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的重要因素有哪些?化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)平衡溫度氣體壓強催化劑濃度溫度越高,反應(yīng)速率越大壓強越大,反應(yīng)速率越大正催化劑加快反應(yīng)速率反應(yīng)物濃度越大,反應(yīng)速率越大升高溫度,平衡向吸熱方向移動增大壓強,平衡向氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的方向移動催化劑對平衡無影響增大反應(yīng)物濃度,平衡正向移動第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日

弗里茨·哈伯：

將空氣變?yōu)槊姘谌摚捕摚?022年，8月28日一反應(yīng)的自發(fā)性合成氨反應(yīng)是一個可逆反應(yīng):N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已知298K時:△H=-92.2KJ·mol-1△S=-198.2J·K-1·mol-1請根據(jù)正反應(yīng)的焓變和熵變分析:298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日合成氨反應(yīng)有哪些特點？請利用化學(xué)平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成？N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H

＝-92.2kJ/mol(1體積)(3體積)(2體積)思考？第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日1:11:21:31:41:51:60.60.50.40.30.20.1NH3%N2:H2N2、H2體積比對產(chǎn)率的影響NH3%第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日1、你認(rèn)為可以通過控制哪些反應(yīng)條件來提高合成氨反應(yīng)的速率？

升高溫度增大壓強增大反應(yīng)物濃度使用催化劑二化學(xué)反應(yīng)速率第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日2、實驗研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系為:ν=κC(N2)C1.5(H2)C-1(NH3)請你根據(jù)關(guān)系式分析：各物質(zhì)的濃度對反應(yīng)速率有哪些影響？可以采取哪些措施來提高反應(yīng)速率？

增大N2`H2濃度,將氨及時從混合氣中分離出去第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日催化劑對合成氨反應(yīng)速率的影響條件△E/KJ/molk(催)/k(無)無催化劑3353.4×1012(700k)使用Fe催化劑167

使用催化劑可使合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。3.分析催化劑對速率的影響第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日合成氨的適宜條件的選擇生成物氨的濃度反應(yīng)物的濃度催化劑溫度壓強速率分析使NH3生產(chǎn)得快外界條件高壓高溫使用增大濃度減小濃度平衡分析使NH3生產(chǎn)得多高壓低溫?zé)o影響增大濃度減小濃度第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日合成氨的反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)

分析角度反應(yīng)條件使合成氨的速率快使平衡混合物中氨的含量高壓強溫度催化劑高壓高壓高溫低溫使用不影響一致矛盾第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日

1、壓強怎么選？①合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應(yīng)，增大壓強既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強越大越好。②但是壓強越大，對設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動力大，因此選擇壓強應(yīng)符合實際科學(xué)技術(shù)。

綜合以上兩點:根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強。第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日

2、溫度怎么選擇？①因為正反應(yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫度有利于平衡正向移動。

②可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所需要的時間越長，因此溫度也不宜太低。③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。

綜合以上因素:實際生產(chǎn)中溫度一般選擇在700K左右（主要考慮催化劑的活性）。第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日

3、使用催化劑？

實際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在700K時活性最高。

經(jīng)濟效益和社會效益要求化學(xué)反應(yīng)速度要快，原料的利用率要高，單位時間的產(chǎn)量要高。第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日

4、濃度怎么定？N2

和H2的比例怎么定？

增大反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動。從化學(xué)平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質(zhì)的量比為1：3時，平衡轉(zhuǎn)化率最大，但是實驗測得適當(dāng)提高N2的濃度，即N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8時，更能促進(jìn)氨的合成。

實際生產(chǎn)中的處理方法：及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時將氮氣和氫氣循環(huán)利用，使其保持一定的濃度。（閱讀課本67-68頁）第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日達(dá)到平衡時平衡混合物中NH3的含量（體積分?jǐn)?shù)[V(N2):V(H2)=1:3]

0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4壓強/MPaNH3含量/%溫度/℃溫度升高，氨的含量降低壓強增大，氨的含量增大資料2第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日外部條件工業(yè)合成氨的適宜條件壓強溫度催化劑濃度研討的結(jié)果根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強

適宜溫度

700K左右使用鐵觸媒作催化劑N2和H2的物質(zhì)的量比為1：2.8的投料比,氨及時從混合氣中分離出去第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟效益；選擇合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度；選擇合適的壓強：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要考慮動力、材料、設(shè)備等。

【小結(jié)·反思】工業(yè)上利用某可逆反應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)品：第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日第二十頁，共二十三頁，2022年，8月28日

0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4壓強/MPaNH3含量/%溫度/℃思考問題４即使在500℃和30MPa時，合成氨平衡混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)也只有26.4%，轉(zhuǎn)化率仍不夠大，還可采取什么辦法？第二十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日已知2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)△H＜0(1)應(yīng)選用的溫度是______。應(yīng)采用的壓強是______，理由是____________________________________________________________________________________________450℃