2.4 化学反应的调控 课件（共31张PPT）

(共35张PPT)
第四节 化学反应的调控
1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。
2.初步掌握应用化学原理选择化工生产条件的思想和方法。
学习目标
合成氨的发展
我国合成氨工业的发展是在20 世纪30 年代开始的，经过几十年的不懈奋斗和发展，我国已经拥有了许多不同流程、不同规模的合成氨工厂。我国目前拥有了一支能够进行合成氨生产的科研等方面的研究技术团队，让我国已成为世界上最大的合成氨生产国，产量约占世界总产量的1/3。
合成氨工业是关系我国国民经济的重要行业，是我国化肥工业的基础，也是传统煤化工的重要组成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡胶等；氨在冶金、机械加工、电子、造纸等行业用途广泛。
合成氨的应用
制尿素
制纯碱
制硝酸
制冷剂
合成氨的反应历程
N2 ＋3H2 2NH3
工业合成氨的原理是N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1,从速率角度分析,反应需要在较高 (填“较高”或“较低”)温度下进行,而从提高反应物转化率的角度分析,反应需要在低温、高压(从压强和温度方面回答)条件下进行,原因是合成氨的反应为正反应为气体体积减小的放热反应。
影响因素:
(1)增大合成氨反应速率的措施:升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂等。
(2)提高平衡混合气体中氨的含量措施:降低温度、增大压强、增大反应物浓度等。
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
(1)可逆性：反应为可逆反应。
(2)体积变化：正反应是气体体积缩小的反应。
(3)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。
(4)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
一、合成氨反应的限度、速率
1．合成氨反应的特点
思考与讨论
（1）原理分析
根据合成氨反应的特点，应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量？请填入下表。
对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
2．提高合成氨反应速率和平衡转化率的条件比较
条件 提高反应速率 提高平衡转化率 综合结果
压强 高压 高压 高压
温度 高温 低温 兼顾速率和平衡，且考虑催化剂活性
催化剂 使用 无影响 使用
浓度 增大反应物浓度 增大反应物浓度，降低生成物浓度 增大反应物浓度，且不断减少生成物浓度
3. 工业生产中选择适宜生产条件的原则
有利于增大反应速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物
加合适的催化剂 不需要 加合适的催化剂
外界 条件 有利于增大反应速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
温度 高温 ΔH<0 低温 兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度
ΔH>0 高温 在设备条件允许的前提下,尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强 高压(有气体参加) 反应后气体体积减小的反应 高压 在设备条件允许的前提下,尽量采取高压
反应后气体体积增大的反应 低压 兼顾速率和平衡,选取适宜的压强
（2）数据分析 表2-2中的实验数据是在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况（初始时氮气和氢气的体积比是1∶3）分析表中数据，结合合成氨反应的特点，讨论应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量。
综合上述两个方面、分析增大合成氨的反应速率与提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是否一致。
解答：温度变化的效果不一致。升高温度,化学反应速率更大，平衡混合物中氨的含量减小；降低温度，化学反应速率减小，平衡混合物中氨的含量增大。
压强变化的效果一致。增大压强，化学反应速率加快，平衡混合物中氨的含量增大；减小压强化学反应速率减小，平衡混合物中氨的含量减小。
使用或不使用催化剂的效果不一致。使用催化剂，化学反应速率增大，平衡混合物中氨的含量不变；不使用催化剂，化学反应速率减小，平衡混合物中氨的含量不变。
（一）压强：
二、工业合成氨的适宜条件
合成氨厂一般采用的压强为10 MPa~30 Mpa。
【思考1】合成氨时压强越大越好，为何不采用比30 MPa更大的压强
提示：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这会加大生产投资，可能降低综合经济效益。
压强的选择—成本与效益的博弈
（二）温度：
一般采用的温度为400~500 ℃。
【思考2】合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度
温度的选择—快与少、慢与多的权衡
提示：温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长,不经济。升高温度，转化率降低，另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右活性最大。
（三）催化剂：
目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500℃进行的重要原因。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”,原料气必须经过净化。
合成氨催化剂的选择
德国化学家博施
据统计，约90%以上的化学工业过程中都使用催化剂。合成氨需要用到催化剂铁触媒，为了寻找合适的催化剂，博施及其研究组进行了大量的试验，一直到1922年，共进行了超过2 500 种配方的20 000 多次试验，终于筛选出了合成氨工业用催化剂。尽管后来不断地改进，但这种类型的催化剂一直沿用至今。
2016 年，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队研制了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、1 MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展更加节能的催化剂提供了新的思路。
可见，催化剂在工业生产及能源问题中发挥着巨大作用。
（四）浓度：
采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。此外，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应也是很不经济的，应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应。
【思考3】合成氨工业采用迅速冷却法,使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去的目的是什么
提示：使化学平衡向生成氨的方向移动。
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10～30 MPa)
温度 适宜温度，400～500 ℃
催化剂 使用铁触媒做催化剂
浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去
工业生产中，必须从反应限度和反应速率两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
综上所述，工业上通常采用铁触媒、 400-500℃ 、 10-30 MPa的条件下合成氨
三、合成氨的生产流程
（一）生产流程
（二）流程分析
1、原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。
2、压缩机加压：增大压强。
3、热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。
4、冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。
5、循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充N2和H2,使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应，提高经济效益。
四、影响化学反应进行的两个因素
（一）参加反应的物质组成、结构和性质等本身因素
（二）温度、压强、浓度、催化剂等反应条件
五、化学反应的调控
1、定义：就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。
2、考虑因素：在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。
3、控制反应条件的目的
(1)促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。
(2)抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。
4、控制反应条件的基本措施
(1)控制化学反应速率的措施：通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。
(2)提高转化率的措施：通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。
(1)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动。 (　　)
(2)合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。(　)
(3)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。 (　　)
(4)充入的N2越多越有利于NH3的合成。 ( )
(5)恒容条件下充入稀有气体有利于NH3的合成。 ( )
(6)工业合成氨的反应是熵增加的放热反应，在任何温度下都可自发进行。( )
1、判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
×
×
√
×
×
×
2、有关合成氨工业的说法中,正确的是(　　)
A.增大H2的浓度,可提高H2的转化率
B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中会循环使用,所以总体来说氨的产率很高
C.合成氨工业的反应温度控制在400~500 ℃,目的是使化学平衡向正反应方向移动
D.合成氨厂采用的压强是10 MPa~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大
解析:A项,增大H2的浓度,H2的转化率减小;C项,温度控制在400~500 ℃主要是为了兼顾速率与平衡,且500 ℃时催化剂活性最大;D项,压强采用10 MPa~30 MPa主要是考虑对设备材料的要求。
B
3、硫酸是一种重要的化工产品,目前主要采用“接触法”进行生产。有关接触氧化反应2SO2+O2 2SO3的说法中正确的是(　　)
A.只要选择适宜的条件,SO2和O2就能全部转化为SO3
B.该反应达到平衡后,反应就完全停止了,即正、逆反应速率均为零
C.在达到平衡的体系中,充入由18O原子组成的O2后,SO2中18O含量减少,SO3中18O含量增多
D.在工业合成SO3时,要同时考虑反应速率和反应能达到的限度两方面的问题
D
解析:该反应为可逆反应,SO2和O2不能全部转化为SO3,A错;达到平衡后反应不停止,正、逆反应速率相等,B错;达到平衡后充入由18O原子组成的O2,平衡正向移动,SO3中18O含量增多,因为反应可逆,SO2中18O含量也增多,C错。
4、有平衡体系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0。为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采取的正确措施是(　　)
A.高温,高压
B.适宜温度,高压,催化剂
C.低温,低压
D.高温,高压,催化剂
解析:该反应是一个气体体积减小的放热反应,为增加甲醇的产量,需使平衡正向移动,理论上可采用低温、高压的方式,但在实际生产中还需考虑反应速率、设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响。
B
5、利用原料气在合成塔中合成NH3,为提高N2的转化率所采取的措施是(　　)
A.高温 B.高压
C.使用催化剂 D.增大N2的浓度
B　
解析:合成氨反应是气体体积减小的放热反应,据勒夏特列原理可知,高压利于提高N2的转化率。
6、NH3是一种重要的工业原料。下列关于合成氨的说法中,不正确的是(　　)
A.工艺涉及催化技术
B.工艺涉及高温高压技术
C.原料之一的氮气来自空气
D.从合成塔出来的气体中,氨的体积分数为100%
D　
解析:合成氨反应为可逆反应,N2和H2的转化率小于100%,则从合成塔出来的气体中,氨气的体积分数小于100%。
7、在一定条件下,可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)(正反应是放热反应)达到平衡,当单独改变下列条件后,有关叙述错误的是(　　)
A.加催化剂,v(正)、v(逆)都发生变化且变化的倍数相等
B.加压,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数
C.降温,v(正)、v(逆)都减小,且v(正)减小的倍数小于v(逆)减小的倍数
D.等容条件下加入氩气,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数
D　
解析:等容条件下加入氩气,反应物和生成物浓度均不变,则v(正)、v(逆)均不发生变化,且v(正)=v(逆)。
8、某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) 2M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　)
A.工业上合成M时,一定采用高压条件,因为高压有利于M的生成
B.若物质B价廉易得,工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率
C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高,反应物的转化率越高
D.工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
D　
解析:工业上合成M可能采用常压,如H2SO4工业中SO3的生成;加入过量B只能提高A的转化率,B的转化率降低;温度升高,平衡逆向移动,反应物的转化率降低;使用催化剂可降低反应的活化能,提高反应速率。
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