2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨 课件（41张ppt）

化学反应条件的优化 - 工业合成氨
高二年级 化学
自1784年氨被发现以来，但直到1913年才实现了合成氨的工业化生产。
化学反应 N2(g) +3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，但合成氨的工业化生产经历如此漫长的发展过程，并且需要庞大而复杂的生产设备，这其实和它的生产条件有关。
N2 + 3H2 2NH3
高温 高压
催化剂
合成氨
从必修第一册，我们了解到合成氨的条件是高温、高压、催化剂。

思考
化工生产中，选择适宜的反应条件需要从哪些角度考虑？具体需要考虑哪些因素？
思考
化工生产中，选择适宜的反应条件需要从哪些角度考虑？具体需要考虑哪些因素？
角度
思考
化工生产中，选择适宜的反应条件需要从哪些角度考虑？具体需要考虑哪些因素？
反应限度
反应速率
角度
反应限度 温度、浓度、 压强等
反应速率 温度、浓度、压强、使用催化剂等
角度
思考
化工生产中，选择适宜的反应条件需要从哪些角度考虑？具体需要考虑哪些因素？
一、合成氨反应的限度
目标：合成氨的平衡转化率越大越好
如何从温度、浓度、压强提高合成氨的平衡转化率？
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
因素
温度
浓度
压强
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
反应特点
相应措施
因素
温度
浓度
压强
如何从温度、浓度、压强提高合成氨的平衡转化率？
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
反应特点
相应措施
因素
温度
浓度
压强
放热
正向反应分子数减小
如何从温度、浓度、压强提高合成氨的平衡转化率？
如何提高合成氨的平衡转化率？
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
反应特点
相应措施
因素
温度
浓度
压强
放热
低温
正向反应分子数减小
高压
增加反应物浓度，
降低生成物浓度
1.先看横坐标
2.后看纵坐标
3.再看曲线，如果有
多条曲线，先看其
中一条
1.先看横坐标
2.后看纵坐标
4.得出结论：
当压强为P1时（当
压强不变时），升
高温度，氨的物质
的量分数降低
5.垂直画一条辅助线
6.得出结论：
当温度一定时，压
强越大，氨的物质
的量分数越高
5.垂直画一条辅助线
低温、高压
增大了NH3的含量 更有利于合成氨
一、合成氨反应的限度
进一步研究发现，在一定的温度、压强下氮气、氢气的体积比为1:3时平衡混合物中氨的含量最高。
反应条件：低温、高压、增加反应物浓度、分离氨
一、合成氨反应的限度
反应条件：低温、高压、增加反应物浓度、分离氨、氮气与氢气的体积比为1:3
二、合成氨反应的速率
目标：工业生产希望反应速率越大越好
如何从温度、浓度、压强、催化剂提高合成氨的反应速率？
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
因素
温度
浓度
压强
催化剂
如何从温度、浓度、压强、催化剂提高合成氨的反应速率？
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
因素
温度
浓度
压强
催化剂
反应特点
相应措施
如何从温度、浓度、压强、催化剂提高合成氨的反应速率？
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
因素
温度
浓度
压强
催化剂
反应特点
相应措施
高温
使用催化剂
增加反应物浓度
高压
反应特点
增加反应物浓度，将氨从混合气中分离出去。
反应特点
资料1.合成氨反应速率与参与反应的物质浓度的关系式为：υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3)
相应措施
如何从温度、浓度、压强、催化剂提高合成氨的反应速率？
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
因素
温度
浓度
压强
催化剂
反应特点
相应措施
高温
使用催化剂
高压
增加反应物浓度，分离氨
与氨气浓度的1次方成反比
反应特点
资料2.
使用铁作催化剂
反应特点
资料2、
相应措施
如何从温度、浓度、压强、催化剂提高合成氨的反应速率？
N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) △H = - 92.2kJ·mol-1
因素
温度
浓度
压强
催化剂
反应特点
相应措施
高温
使用铁催化剂
增加反应物浓度，分离氨
高压
与氨气浓度的1次方成反比
活化能较大
进一步研究催化反应历程发现：
n (N2):n (H2) =1:2.8，适时地将氨从反应后的混合气体中分离出来，可以提高反应速率。
二、合成氨反应的速率
反应条件：高温、增加反应物浓度、分离氨、高压、
铁催化剂、氮气和氢气的体积比为1:2.8
二、合成氨反应的速率
一、合成氨反应的限度
反应条件：低温、高压、增加反应物浓度、分离氨、
氮气与氢气的体积比为1:3
反应条件：高温、增加反应物浓度、分离氨、高压、
铁催化剂、氮气和氢气的体积比为1:2.8
三、合成氨生产的适宜条件
选择合成氨生产的条件时，既不应片面地追求高转化率，也不应只追求高反应速率，而应该寻找以较高的反应速率获取适当转化率的反应条件。此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气（氮气和氢气）的循环使用、反应热的综合利用等问题。
合成氨生产一般条件
铁作催化剂
700 K
低压（1x107 Pa)、中压（2x107~3x107 Pa)和
高压（8.5x107~1x108 Pa)
投料比：氮气与氢气物质的量之比为1:2.8
不足：
合成氨工业生产需要高温、高压的反应条件，而且催化剂易中毒、使用寿命不长。
研究方向：
在自然界里，常温、常压下，通过生物固氮酶催化剂（如根瘤菌）的作用每年可以从空气中固定 1 亿吨氮，因此仿生固氮酶催化剂的研制这一前沿课题一直备受关注，人们仍在不断探索中。
小结
化工生产中，选择适宜的反应条件的方法
反应限度
温度、浓度、 压强等
反应速率
温度、浓度、压强、使用催化剂等
角度
综合
考虑
其他 成本、环保
合成氨的生产流程
合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分。
造气　原料气中的氮气来自空气，而氢气来自天然气、煤和炼油产
品。以天然气为原料时，反应可简单表示为:
CH4 + H2O CO + 3H2
CO + H2O CO2 + H2
净化　 消除造气过程中夹带的杂质，防止催化剂中毒。
合成氨 该部分包括终端产品氨的分离，氮气、氢气的
循环使用，利用反应产生的热预热合成气等。

高温
催化剂
高温
催化剂